Linux之时钟中断
from：深入分析Linux內核源碼（http://oss.org.cn/kernel-book/）
?時鐘中斷的產生
? ? ?Linux的OS時鐘的物理產生原因是可編程定時/計數器產生的輸出脈沖，這個脈沖送入CPU，就可以引發一個中斷請求信號，我們就把它叫做時鐘中斷。
“時鐘中斷”是特別重要的一個中斷，因為整個操作系統的活動都受到它的激勵。系統利用時鐘中斷維持系統時間、促使環境的切換，以保證所有進程共享CPU；利用時鐘中斷進行記帳、監督系統工作以及確定未來的調度優先級等工作。可以說，“時鐘中斷”是整個操作系統的脈搏。
時鐘中斷的物理產生如圖所示：
???????????????????????
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 8253和8259A的物理連接方式
操作系統對可編程定時/計數器進行有關初始化，然后定時/計數器就對輸入脈沖進行計數（分頻），產生的三個輸出脈沖Out0、Out1、Out2各有用途，很多接口書都介紹了這個問題，我們只看Out0上的輸出脈沖，這個脈沖信號接到中斷控制器8259A_1的0號管腳，觸發一個周期性的中斷，我們就把這個中斷叫做時鐘中斷，時鐘中斷的周期，也就是脈沖信號的周期，我們叫做“滴答”或“時標”（tick）。從本質上說，時鐘中斷只是一個周期性的信號，完全是硬件行為，該信號觸發CPU去執行一個中斷服務程序，但是為了方便，我們就把這個服務程序叫做時鐘中斷。
?
Linux實現時鐘中斷的全過程
1．可編程定時/計數器的初始化
?
IBM PC中使用的是8253或8254芯片。有關該芯片的詳細知識我們不再詳述，只大體介紹以下它的組成和作用，如下表5.1所示：
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表 ? ? ? ? 8253/8254的組成及作用
| 名稱 | 端口地址 | 工作方式 | 產生的輸出脈沖的用途 |
| 計數器0 | 0x40 | 方式3 | 時鐘中斷，也叫系統時鐘 |
| 計數器1 | 0x41 | 方式2 | 動態存儲器刷新 |
| 計數器2 | 0x42 | 方式3 | 揚聲器發聲 |
| 控制寄存器 | 0x43 | / | 用于8253的初始化，接收控制字 |
?
計數器0的輸出就是圖5.3中的Out0，它的頻率由操作系統的設計者確定，Linux對8253的初始化程序段如下（在/arch/i386/kernel/i8259.c的init_IRQ（）函數中）：
?
set_intr_gate(ox20, interrupt[0]);
／*在IDT的第0x20個表項中插入一個中斷門。這個門中的段選擇符設置成內核代碼段的選擇符，偏移域設置成0號中斷處理程序的入口地址。*/
?
outb_p(0x34,0x43);?????/*?寫計數器0的控制字：工作方式2*/
outb_p(LATCH & 0xff , 0x40);???/*?寫計數初值LSB??計數初值低位字節*/??
outb(LATCH >> 8 , 0x40);???/*?寫計數初值MSB?計數初值高位字節*/
?
LATCH（英文意思為：鎖存器，即其中鎖存了計數器0的初值）為計數器0的計數初值，在/include/linux/timex.h中定義如下：
?
#define CLOCK_TICK_RATE????1193180????/*?圖5.3中的輸入脈沖?*/
#define LATCH??((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ)??/*?計數器0的計數初值?*/
?
CLOCK_TICK_RATE是整個8253的輸入脈沖，如圖5.3中所示為1.193180MHz，是近似為1MHz的方波信號，8253內部的三個計數器都對這個時鐘進行計數，進而產生不同的輸出信號，用于不同的用途。
HZ表示計數器0的頻率，也就是時鐘中斷或系統時鐘的頻率，在/include/asm/param.h中定義如下:
?
#define HZ 100
?
2.與時鐘中斷相關的函數
下面我們看時鐘中斷觸發的服務程序，該程序代碼比較復雜，分布在不同的源文件中，主要包括如下函數：
時鐘中斷程序：timer_interrupt( )；
中斷服務通用例程do_timer_interrupt();
時鐘函數：do_timer( )；
中斷安裝程序：setup_irq(?);
中斷返回函數：ret_from_intr(?);
?
前三個函數的調用關系如下：
?????timer_interrupt(?)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? do_timer_interrupt()
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?do_timer(?)
(1)?timer_interrupt(?)
????這個函數大約每10ms被調用一次，實際上,?timer_interrupt( )函數是一個封裝例程,它真正做的事情并不多,但是,作為一個中斷程序,它必須在關中斷的情況下執行。如果只考慮單處理機的情況，該函數主要語句就是調用do_timer_interrupt()函數。
?
(2)?do_timer_interrupt()
do_timer_interrupt()函數有兩個主要任務,一個是調用do_timer( ),另一個是維持實時時鐘(RTC,每隔一定時間段要回寫),其實現代碼在/arch/i386/kernel/time.c中， 為了突出主題，筆者對以下函數作了改寫，以便于讀者理解：
?
static?inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
???do_timer(regs); /*?調用時鐘函數，將時鐘函數等同于時鐘中斷未嘗不可*/
????
???if(xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660)
update_RTC();
?
?/*每隔11分鐘就更新RTC中的時間信息，以使OS時鐘和RTC時鐘保持同步,11分鐘即660秒，xtime.tv_sec的單位是秒,last_rtc_update記錄的是上次RTC更新時的值?*/
???????????????????????????????????????????????????????
}
?
??其中，xtime是前面所提到的timeval類型，這是一個全局變量。
?
(3)?時鐘函數do_timer() (在/kernel/sched.c中)
?
void?do_timer(struct pt_regs * regs)
{
???(*(unsigned long *)&jiffies)++;??/*更新系統時間，這種寫法保證對jiffies
操作的原子性*/
?
?update_process_times（）;
????++lost_ticks;
???if(?! user_mode ( regs ) )
???????++lost_ticks_system;
?
???????mark_bh(TIMER_BH);???????????
???if?(tq_timer)????????????????????
???????mark_bh(TQUEUE_BH);
}
?
其中，update_process_times（）函數與進程調度有關，從函數的名子可以看出，它處理的是與當前進程與時間有關的變量，例如，要更新當前進程的時間片計數器counter，如果counter<=0，則要調用調度程序，要處理進程的所有定時器：實時、虛擬、概況，另外還要做一些統計工作。
與時間有關的事情很多，不能全都讓這個函數去完成，這是因為這個函數是在關中斷的情況下執行，必須處理完最重要的時間信息后退出，以處理其他事情。那么，與時間相關的其他信息誰去處理，何時處理？這就是由第三章討論的后半部分去去處理。 上面timer_interrupt()（包括它所調用的函數）所做的事情就是上半部分。
在該函數中還有兩個變量lost_ticks和lost_ticks_system，這是用來記錄timer_bh（）執行前時鐘中斷發生的次數。因為時鐘中斷發生的頻率很高（每10ms一次），所以在timer_bh（）執行之前，可能已經有時鐘中斷發生了，而timer_bh（）要提供定時、記費等重要操作，所以為了保證時間計量的準確性，使用了這兩個變量。lost_ticks用來記錄timer_bh（）執行前時鐘中斷發生的次數，如果時鐘中斷發生時當前進程運行于內核態，則lost_ticks_system用來記錄timer_bh（）執行前在內核態發生時鐘中斷的次數，這樣可以對當前進程精確記費。
?
（4）中斷安裝程序
?????從上面的介紹可以看出，時鐘中斷與進程調度密不可分，因此，一旦開始有時鐘中斷就可能要進行調度，在系統進行初始化時，所做的大量工作之一就是對時鐘進行初始化，其函數time_init ()的代碼在/arch/i386/kernel/time.c中，對其簡寫如下：
?void?__init time_init(void)
??{
xtime.tv_sec=get_cmos_time();
xtime.tv_usec=0;
setup_irq（0，＆irq0）;
}
??
???其中的get_cmos_time()函數就是把當時的實際時間從CMOS時鐘芯片讀入變量xtime中，時間精度為秒。而setup_irq（0，＆irq0）就是時鐘中斷安裝函數，那么irq0指的是什么呢，它是一個結構類型irqaction，其定義及初值如下：
?
static?struct irqaction irq0??= { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, 0, "timer", NULL, NULL};
?
setup_irq(0, &irq0)的代碼在/arch/i386/kernel/irq.c中，其主要功能就是將中斷程序連入相應的中斷請求隊列，以等待中斷到來時相應的中斷程序被執行。
?
到現在為止，我們僅僅是把時鐘中斷程序掛入中斷請求隊列，什么時候執行，怎樣執行，這是一個復雜的過程（參見第三章），為了讓讀者對時鐘中斷有一個完整的認識，我們忽略中間過程，而給出一個整體描述。我們將有關函數改寫如下，體現時鐘中斷的大意：
?
do_timer_interrupt( )??????????／*這是一個偽函數?*／
{????????????????????????????????????????????
???SAVE_ALL????????????????????／*保存處理機現場?*／
???intr_count += 1;??????????????／*?這段操作不允許被中斷?*／
???timer_interrupt()?????????????／*?調用時鐘中斷程序?*／
???intr_count -= 1;??????????????
???jmp ret_from_intr?????????????/*?中斷返回函數?*／
}
???
???其中，jmp ret_from_intr?是一段匯編代碼，也是一個較為復雜的過程，它最終要調用jmp ret_from_sys_call，即系統調用返回函數，而這個函數與進程的調度又密切相關，，因此，我們重點分析??jmp ret_from_sys_call。
???
3．系統調用返回函數：
??系統調用返回函數的源代碼在/arch/i386/kernel/entry.S中
??
ENTRY(ret_from_sys_call)
?????????cli?????????????????# need_resched and signals atomic test
?????????cmpl?$0,need_resched(%ebx)
?????????jne?reschedule
?????????cmpl?$0,sigpending(%ebx)
?????????jne?signal_return
?restore_all:
?????????RESTORE_ALL
?
?????????ALIGN
?signal_return:
?????????sti??????????????# we can get here from an interrupt handler
?????????testl?$(VM_MASK),EFLAGS(%esp)
?????????movl?%esp,%eax
?????????jne?v86_signal_return
?????????xorl?%edx,%edx
?????????call?SYMBOL_NAME(do_signal)
?????????jmp?restore_all
?
?????????ALIGN
????????v86_signal_return:
?????????call?SYMBOL_NAME(save_v86_state)
?????????movl?%eax,%esp
?????????xorl?%edx,%edx
?????????call?SYMBOL_NAME(do_signal)
?????????jmp?restore_all
??….
?reschedule:
?????????call?SYMBOL_NAME(schedule)????# test
????????jmp?ret_from_sys_call
?
這一段匯編代碼就是前面我們所說的“從系統調用返回函數”ret_from_sys_call，它是從中斷、異常及系統調用返回時的通用接口。這段代碼主體就是ret_from_sys_call函數，其執行過程中要調用其它一些函數(實際上是一段代碼，不是真正的函數)，在此我們列出相關的幾個函數：
（1）ret_from_sys_call：主體
（2）reschedule：檢測是否需要重新調度
（3）signal_return：處理當前進程接收到的信號
（4）v86_signal_return：處理虛擬86模式下當前進程接收到的信號
（5）RESTORE_ALL：我們把這個函數叫做徹底返回函數，因為執行該函數之后，就返回到當前進程的地址空間中去了。
可以看到ret_from_sys_call的主要作用有：
檢測調度標志need_resched，決定是否要執行調度程序；處理當前進程的信號；恢復當前進程的環境使之繼續執行。
?
最后我們再次從總體上瀏覽一下時鐘中斷：
每個時鐘滴答，時鐘中斷得到執行。時鐘中斷執行的頻率很高：100次/秒，時鐘中斷的主要工作是處理和時間有關的所有信息、決定是否執行調度程序以及處理下半部分。和時間有關的所有信息包括系統時間、進程的時間片、延時、使用CPU的時間、各種定時器，進程更新后的時間片為進程調度提供依據，然后在時鐘中斷返回時決定是否要執行調度程序。下半部分處理程序是Linux提供的一種機制，它使一部分工作推遲執行。時鐘中斷要絕對保證維持系統時間的準確性，而下半部分這種機制的提供不但保證了這種準確性，還大幅提高了系統性能。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux之时钟中断的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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