2019-09-23 10:39:13 5469瀏覽
本篇文章扣丁學堂Linux培訓小編給小伙伴們分享一下Linux時鐘中斷詳解，對Linux開發(fā)技術感興趣的小伙伴就隨小編來了解一下吧，希望對小伙伴們有幫助。
在Linux的0號中斷是一個定時器中斷。在固定的時間間隔都發(fā)生一次中斷，也是說每秒發(fā)生該中斷的頻率都是固定的。該頻率是常量HZ，該值一般是在100~1000之間。該中斷的作用是為了定時更新系統(tǒng)日期和時間，使系統(tǒng)時間不斷地得到跳轉(zhuǎn)。另外該中斷的中斷處理函數(shù)除了更新系統(tǒng)時間外，還需要更新本地CPU統(tǒng)計數(shù)。指的是調(diào)用scheduler_tick遞減進程的時間片，若進程的時間片遞減到0，進程則被調(diào)度出去而放棄CPU使用權。
時鐘中斷的產(chǎn)生：
Linux的OS時鐘的物理產(chǎn)生原因是可編程定時/計數(shù)器產(chǎn)生的輸出脈沖，這個脈沖送入CPU，就可以引發(fā)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(tǒng)的活動都受到它的激勵。系統(tǒng)利用時鐘中斷維持系統(tǒng)時間、促使環(huán)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(jiān)督系統(tǒng)工作以及確定未來的調(diào)度優(yōu)先級等工作。可以說，“時鐘中斷”是整個操作系統(tǒng)的脈搏。
時鐘中斷的物理產(chǎn)生如圖所示：
操作系統(tǒng)對可編程定時/計數(shù)器進行有關初始化，然后定時/計數(shù)器就對輸入脈沖進行計數(shù)(分頻)，產(chǎn)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(fā)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(zhì)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(fā)CPU去執(zhí)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(xiàn)時鐘中斷的全過程
1、可編程定時/計數(shù)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，如下表所示：
計數(shù)器0的輸出就是圖中的Out0，它的頻率由操作系統(tǒng)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(shù)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(nèi)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(shù)器0的控制字：工作方式2*/ outb_p(LATCH & 0xff , 0x40); /* 寫計數(shù)初值LSB 計數(shù)初值低位字節(jié)*/ outb(LATCH >> 8 , 0x40); /* 寫計數(shù)初值MSB 計數(shù)初值高位字節(jié)*/ LATCH（英文意思為：鎖存器，即其中鎖存了計數(shù)器0的初值）為計數(shù)器0的計數(shù)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(shù)器0的計數(shù)初值 */
CLOCK_TICK_RATE是整個8253的輸入脈沖，如圖所示為1.193180MHz，是近似為1MHz的方波信號，8253內(nèi)部的三個計數(shù)器都對這個時鐘進行計數(shù)，進而產(chǎn)生不同的輸出信號，用于不同的用途。
HZ表示計數(shù)器0的頻率，也就是時鐘中斷或系統(tǒng)時鐘的頻率，在/include/asm/param.h中定義如下:
#define HZ 100
下面我們看時鐘中斷觸發(fā)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(shù)：
時鐘中斷程序：timer_interrupt( )；
中斷服務通用例程do_timer_interrupt();
時鐘函數(shù)：do_timer( )；
中斷安裝程序：setup_irq( );
中斷返回函數(shù)：ret_from_intr( );
(1) timer_interrupt( )
這個函數(shù)大約每10ms被調(diào)用一次，實際上, timer_interrupt( )函數(shù)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(zhí)行。如果只考慮單處理機的情況，該函數(shù)主要語句就是調(diào)用do_timer_interrupt()函數(shù)。
(2) do_timer_interrupt()
do_timer_interrupt()函數(shù)有兩個主要任務,一個是調(diào)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(xiàn)代碼在/arch/i386/kernel/time.c中， 為了突出主題，筆者對以下函數(shù)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(diào)用時鐘函數(shù)，將時鐘函數(shù)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(shù)do_timer() (在/kernel/sched.c中)
void do_timer(struct pt_regs * regs)
{
(*(unsigned long *)&jiffies)++; /*更新系統(tǒng)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(shù)與進程調(diào)度有關，從函數(shù)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(shù)器counter，如果counter<=0，則要調(diào)用調(diào)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(tǒng)計工作。
與時間有關的事情很多，不能全都讓這個函數(shù)去完成，這是因為這個函數(shù)是在關中斷的情況下執(zhí)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(diào)用的函數(shù)）所做的事情就是上半部分。
在該函數(shù)中還有兩個變量lost_ticks和lost_ticks_system，這是用來記錄timer_bh（）執(zhí)行前時鐘中斷發(fā)生的次數(shù)。因為時鐘中斷發(fā)生的頻率很高（每10ms一次），所以在timer_bh（）執(zhí)行之前，可能已經(jīng)有時鐘中斷發(fā)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(zhí)行前時鐘中斷發(fā)生的次數(shù)，如果時鐘中斷發(fā)生時當前進程運行于內(nèi)核態(tài)，則lost_ticks_system用來記錄timer_bh（）執(zhí)行前在內(nèi)核態(tài)發(fā)生時鐘中斷的次數(shù)，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(diào)度密不可分，因此，一旦開始有時鐘中斷就可能要進行調(diào)度，在系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)，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(zhí)行。
struct irqaction {
irq_handler_t handler; //中斷處理函數(shù)，注冊時提供
unsigned long flags; //中斷標志，注冊時提供
cpumask_t mask; //中斷掩碼
const char *name; //中斷名稱
void *dev_id; //設備id，本文后面部分介紹中斷共享時會詳細說明這個參數(shù)的作用
struct irqaction *next; //如果有中斷共享，則繼續(xù)執(zhí)行，
int irq; //中斷號，注冊時提供
struct proc_dir_entry *dir; //指向IRQn相關的/proc/irq/n目錄的描述符
};
這個結構體包含了處理一種中斷所需要的各種信息，它代表了內(nèi)核接受到特定IRQ之后應該采取的操作。
1、handler:該指針所指向的函數(shù)就是在中斷服務程序，當中斷發(fā)生時內(nèi)核便會調(diào)用這個指針指向的函數(shù)。
2、flags:該標志位可以是0，也可以是:
SA_INTERRUPT:表示此中斷處理程序是一個快速中斷處理程序，在2.6中默認情況下沒有這個標志;設置該標志位，中斷處理程序禁止任何中斷運行，沒有該標志，僅屏蔽正在運行的IRQ線;
SA_SAMPLE_RANDOM:表示這個中斷對內(nèi)核池有貢獻，在中斷時產(chǎn)生一些隨機數(shù);
SA_SHIRQ:此標志位表示允許多個中斷服務程序共享一個中斷號，如不設則一個程序?qū)粋€中斷線;
3、mask:在x86上不會用到。
4、name:產(chǎn)生中斷的硬件的名字。
5、dev_id:該標志位主要在共享中斷號時使用，即你設置flags=SA_SHIRQ時，有多個中斷服務程序共享一個中斷號時，內(nèi)核就需要知道在用完中斷程序后該刪除那個中斷服務程序。不共享時此成員為null。
6、next:如果flags=SA_SHIRQ，那么這就是指向?qū)α兄邢乱粋€struct irqaction結構體的指針，否則為空。
7、irq:不用說這就是中斷號了。
到現(xiàn)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(zhí)行，怎樣執(zhí)行，這是一個復雜的過程，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(shù)改寫如下，體現(xiàn)時鐘中斷的大意：
do_timer_interrupt( ) ／*這是一個偽函數(shù) *／
{
SAVE_ALL ／*保存處理機現(xiàn)場 *／
intr_count += 1; ／* 這段操作不允許被中斷 *／
timer_interrupt() ／* 調(diào)用時鐘中斷程序 *／
intr_count -= 1;
jmp ret_from_intr /* 中斷返回函數(shù) *／
}
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(diào)用jmp ret_from_sys_call，即系統(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)，而這個函數(shù)與進程的調(diào)度又密切相關，，因此，我們重點分析 jmp ret_from_sys_call。
系統(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)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(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)”ret_from_sys_call，它是從中斷、異常及系統(tǒng)調(diào)用返回時的通用接口。這段代碼主體就是ret_from_sys_call函數(shù)，其執(zhí)行過程中要調(diào)用其它一些函數(shù)(實際上是一段代碼，不是真正的函數(shù))，在此我們列出相關的幾個函數(shù)：
（1）ret_from_sys_call：主體
（2）reschedule：檢測是否需要重新調(diào)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(shù)叫做徹底返回函數(shù)，因為執(zhí)行該函數(shù)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(diào)度標志need_resched，決定是否要執(zhí)行調(diào)度程序；處理當前進程的信號；恢復當前進程的環(huán)境使之繼續(xù)執(zhí)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(zhí)行。時鐘中斷執(zhí)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(zhí)行調(diào)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(tǒng)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(diào)度提供依據(jù)，然后在時鐘中斷返回時決定是否要執(zhí)行調(diào)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(zhí)行。時鐘中斷要絕對保證維持系統(tǒng)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(tǒng)性能。
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