一文搞懂 Linux 時間子系統
硬件架構
從硬件架構圖中可以看出以下特點：
- 每個 CPU 核都包含各自的 local timer，相互獨立。
- 每個 local timer 都支持中斷的產生，中斷類型為 PPI，即 CPU 的私有中斷，GIC 負責分發到指定的 CPU，這些中斷都可以用來產生系統事件。local timer的中斷為以下四種：
1.Secure Physical Timer event (ID 29，也就是上面device node中的13，29 = 16 + 13)
2.Non-secure Physical Timer event (ID 30，也就是上面device node中的14，30 = 16 + 14)
3.Virtual Timer event (ID 27)
4.Hypervisor Timer event (ID 26)
- 系統中存在一個 always-powered 的域，這個域提供一個 system counter，所有 core 的定時器都是基于這個 system counter 提供的 counter 值，因此理論上所有的 local timer 都是基于同樣的時間基準。
- 為什么要強調 system counter 是 always powered，而且要獨立出來，這是因為在系統運行期間某些 core 為了節能可能進入睡眠狀態，local timer 可能也會因此被關閉，但是系統的時間戳不能丟，以便在特定的時間喚醒 CPU，而且在喚醒之后還能獲得正確的時間。同時，system counter 也支持休眠模式，它的休眠不是關閉，而是降頻，通常情況下該 timer 的頻率是 1~50MHz，假設是以 10MHz 運行，將其降到 1MHz，那么，system counter 每次運行時 counter 不再是加1，而是加 10，這樣就不會丟失時間精度。
- system counter 的實現標準為:
1.至少 56 bits 的寬度。
2.頻率在 1-50MHz。
3.溢出時間至少在 40 年。
4.arm 沒有對精度做出特別要求，不過最低的建議值為24小時, 誤差不超過 10s。
5.從 0 開始計數，正常情況下每一個時鐘脈沖加1，節能模式下除外。
- system counter 可以被所有 core 訪問，通過總線地址映射的方式，而 local timer 由對應的 CPU core 訪問，訪問方式則是通過操作 CP15 協處理器。
軟件架構
- 最底層是硬件和驅動層，每個cpu core都有自己的cpu local timer，此外SOC內部肯定會有一個用于全局的global counter。
- 中間層是linux內核層，內核抽象出了時鐘源(clocksource), 時鐘事件設備(clock_event_device), tick設備(tick_device)用于時間管理。分為左右兩部分:
- 右邊實現計時功能。linux內核有各種time line, 包括real time clock, monotonic clock, monotonic raw clock等。clocksource提供了一個單調增加的計時器產生tick，為timeline提供時鐘源。timekeeper是內核提供時間服務的基礎模塊，負責選擇并維護最優的clocksource。
- 左邊實現定時功能。clock event管理可產生event或是觸發中斷的定時器，(一般而言，每個CPU形成自己的一個小系統，也就要管理自己的clock event。）tick device是基于clock event設備進行工作的，cpu管理自己的調度、進程統計等是基于tick設備的。低精度timer和高精度timer都是基于tick device生成的定時器設備，關于它們的事件和周期信號的關系在上面的圖中有一個大體的介紹。
- 最上層是linux應用層。基于timekeeping設備的是時間管理的庫time lib，基于定時器設備的是定時管理的庫timer lib。
數據結構
- clocksource：來自系統計時的需求，換句話說系統需要知道現在是xx年xx月xx日xx時xx分xx秒xx納秒。
local timer 的 clocksource 相關的配置信息：
static struct clocksource clocksource_counter = {
.name = "arch_sys_counter",
.rating = 400,
.read = arch_counter_read,
.mask = CLOCKSOURCE_MASK(56),
.flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
};
- clock_event_device：來自系統定時的需求（即 timer）。即從當前時間點開始，到xxx納秒之后通知我做某些事情。
local timer 的 clock_event_device 相關的配置信息：
static void __arch_timer_setup(unsigned type,
struct clock_event_device *clk)
{
clk->features = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT;
if (type == ARCH_TIMER_TYPE_CP15) {
if (arch_timer_c3stop)
clk->features |= CLOCK_EVT_FEAT_C3STOP;
clk->name = "arch_sys_timer";
clk->rating = 450;
clk->cpumask = cpumask_of(smp_processor_id());
clk->irq = arch_timer_ppi[arch_timer_uses_ppi];
switch (arch_timer_uses_ppi) {
......
case ARCH_TIMER_PHYS_NONSECURE_PPI:
case ARCH_TIMER_HYP_PPI:
clk->set_state_shutdown = arch_timer_shutdown_phys;
clk->set_state_oneshot_stopped = arch_timer_shutdown_phys;
clk->set_next_event = arch_timer_set_next_event_phys;
break;
default:
BUG();
}
}
system counter 的 clock_event_device 相關的配置信息如下所示，充當硬件timer，當CPU進入idle后用來喚醒CPU。
static struct clock_event_device clockevent_sysctr = {
.name = "i.MX system counter timer",
.features = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT | CLOCK_EVT_FEAT_DYNIRQ,
.set_state_oneshot = sysctr_set_state_oneshot,
.set_next_event = sysctr_set_next_event,
.set_state_shutdown = sysctr_set_state_shutdown,
.rating = 200,
};
- tick_device 是 clock_event_device 的子類。
struct tick_device {
struct clock_event_device *evtdev;
enum tick_device_mode mode;
};
tick device的工作模式定義如下：
enum tick_device_mode {
TICKDEV_MODE_PERIODIC,
TICKDEV_MODE_ONESHOT,
};
static struct tick_device tick_broadcast_device;
local timer 驅動
system counter 驅動
system counter 驅動
當沒有進程調度到該 CPU 上執行的時候，swapper進程會將該 CPU 推入到 idle 狀態。當 CPU 睡的時候，有可能會關閉 local timer 硬件。這就會導致 local timer 將無法喚醒 CPU。
為了在 CPU 進入 idle 后還能被喚醒，有兩種方案，一種是通過hrtimer的軟件方案，還有一種是硬件方案。這里只講述硬件方案，一般采用 alway-on 的硬件 timer 作為喚醒源，它不屬于任何 CPU，使用 SPI 類型的中斷來喚醒 CPU，處理軟件 timer。
