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Linux之时钟中断详解

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[系统(linux) 所属分类 系统(linux) | 发布者 店小二05 | 时间 | 作者 红领巾 ] 0人收藏点击收藏

linux的0号中断是一个定时器中断。在固定的时间间隔都发生一次中断,也是说每秒发生该中断的频率都是固定的。该频率是常量HZ,该值一般是在100 ~ 1000之间。该中断的作用是为了定时更新系统日期和时间,使系统时间不断地得到跳转。另外该中断的中断处理函数除了更新系统时间外,还需要更新本地CPU统计数。指的是调用scheduler_tick递减进程的时间片,若进程的时间片递减到0,进程则被调度出去而放弃CPU使用权。

时钟中断的产生

Linux的OS时钟的物理产生原因是可编程定时/计数器产生的输出脉冲,这个脉冲送入CPU,就可以引发一个中断请求信号,我们就把它叫做时钟中断。

“时钟中断”是特别重要的一个中断,因为整个操作系统的活动都受到它的激励。系统利用时钟中断维持系统时间、促使环境的切换,以保证所有进程共享CPU;利用时钟中断进行记帐、监督系统工作以及确定未来的调度优先级等工作。可以说,“时钟中断”是整个操作系统的脉搏。

时钟中断的物理产生如图所示:

Linux之时钟中断详解

操作系统对可编程定时/计数器进行有关初始化,然后定时/计数器就对输入脉冲进行计数(分频),产生的三个输出脉冲Out0、Out1、Out2各有用途,很多接口书都介绍了这个问题,我们只看Out0上的输出脉冲,这个脉冲信号接到中断控制器8259A_1的0号管脚,触发一个周期性的中断,我们就把这个中断叫做时钟中断,时钟中断的周期,也就是脉冲信号的周期,我们叫做“滴答”或“时标”(tick)。从本质上说,时钟中断只是一个周期性的信号,完全是硬件行为,该信号触发CPU去执行一个中断服务程序,但是为了方便,我们就把这个服务程序叫做时钟中断。

Linux实现时钟中断的全过程
1.可编程定时/计数器的初始化

IBM PC中使用的是8253或8254芯片。有关该芯片的详细知识我们不再详述,只大体介绍以下它的组成和作用,如下表5.1所示:

表 8253/8254的组成及作用




名称



端口地址



工作方式



产生的输出脉冲的用途





计数器0



0x40



方式3



时钟中断,也叫系统时钟





计数器1



0x41



方式2



动态存储器刷新





计数器2



0x42



方式3



扬声器发声





控制寄存器



0x43



/



用于8253的初始化,接收控制字




计数器0的输出就是图中的Out0,它的频率由操作系统的设计者确定,Linux对8253的初始化程序段如下(在/arch/i386/kernel/i8259.c的init_IRQ()函数中):

set_intr_gate(ox20, interrupt[0]);

/*在IDT的第0x20个表项中插入一个中断门。这个门中的段选择符设置成内核代码段的选择符,偏移域设置成0号中断处理程序的入口地址。*/

outb_p(0x34,0x43); /* 写计数器0的控制字:工作方式2*/

outb_p(LATCH & 0xff , 0x40); /* 写计数初值LSB 计数初值低位字节*/

outb(LATCH >> 8 , 0x40); /* 写计数初值MSB 计数初值高位字节*/

LATCH(英文意思为:锁存器,即其中锁存了计数器0的初值)为计数器0的计数初值,在/include/linux/timex.h中定义如下:

#define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* 图5.3中的输入脉冲 */

#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* 计数器0的计数初值 */

CLOCK_TICK_RATE是整个8253的输入脉冲,如图5.3中所示为1.193180MHz,是近似为1MHz的方波信号,8253内部的三个计数器都对这个时钟进行计数,进而产生不同的输出信号,用于不同的用途。

HZ表示计数器0的频率,也就是时钟中断或系统时钟的频率,在/include/asm/param.h中定义如下:

#define HZ 100

2.与时钟中断相关的函数

下面我们看时钟中断触发的服务程序,该程序代码比较复杂,分布在不同的源文件中,主要包括如下函数:

时钟中断程序:timer_interrupt( );

中断服务通用例程do_timer_interrupt();

时钟函数:do_timer( );

中断安装程序:setup_irq( );

中断返回函数:ret_from_intr( );

(1) timer_interrupt( )

这个函数大约每10ms被调用一次,实际上, timer_interrupt( )函数是一个封装例程,它真正做的事情并不多,但是,作为一个中断程序,它必须在关中断的情况下执行。如果只考虑单处理机的情况,该函数主要语句就是调用do_timer_interrupt()函数。

(2) do_timer_interrupt()

do_timer_interrupt()函数有两个主要任务,一个是调用do_timer( ),另一个是维持实时时钟(RTC,每隔一定时间段要回写),其实现代码在/arch/i386/kernel/time.c中, 为了突出主题,笔者对以下函数作了改写,以便于读者理解:

static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
do_timer(regs); /* 调用时钟函数,将时钟函数等同于时钟中断未尝不可*/
if(xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660)
update_RTC();
/*每隔11分钟就更新RTC中的时间信息,以使OS时钟和RTC时钟保持同步,11分钟即660秒,xtime.tv_sec的单位是秒,last_rtc_update记录的是上次RTC更新时的值 */
}

其中,xtime是前面所提到的timeval类型,这是一个全局变量。

(3) 时钟函数do_timer() (在/kernel/sched.c中)

void do_timer(struct pt_regs * regs)
{
(*(unsigned long *)&jiffies)++; /*更新系统时间,这种写法保证对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()函数与进程调度有关,从函数的名子可以看出,它处理的是与当前进程与时间有关的变量,例如,要更新当前进程的时间片计数器counter,如果counter<=0,则要调用调度程序,要处理进程的所有定时器:实时、虚拟、概况,另外还要做一些统计工作。

与时间有关的事情很多,不能全都让这个函数去完成,这是因为这个函数是在关中断的情况下执行,必须处理完最重要的时间信息后退出,以处理其他事情。那么,与时间相关的其他信息谁去处理,何时处理?这就是由第三章讨论的后半部分去去处理。 上面timer_interrupt()(包括它所调用的函数)所做的事情就是上半部分。

在该函数中还有两个变量lost_ticks和lost_ticks_system,这是用来记录timer_bh()执行前时钟中断发生的次数。因为时钟中断发生的频率很高(每10ms一次),所以在timer_bh()执行之前,可能已经有时钟中断发生了,而timer_bh()要提供定时、记费等重要操作,所以为了保证时间计量的准确性,使用了这两个变量。lost_ticks用来记录timer_bh()执行前时钟中断发生的次数,如果时钟中断发生时当前进程运行于内核态,则lost_ticks_system用来记录timer_bh()执行前在内核态发生时钟中断的次数,这样可以对当前进程精确记费。

Linux之时钟中断详解
(4)中断安装程序

从上面的介绍可以看出,时钟中断与进程调度密不可分,因此,一旦开始有时钟中断就可能要进行调度,在系统进行初始化时,所做的大量工作之一就是对时钟进行初始化,其函数time_init ()的代码在/arch/i386/kernel/time.c中,对其简写如下:

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()函数就是把当时的实际时间从CMOS时钟芯片读入变量xtime中,时间精度为秒。而setup_irq(0,&irq0)就是时钟中断安装函数,那么irq0指的是什么呢,它是一个结构类型irqaction,其定义及初值如下:

static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, 0, "timer", NULL, NULL};

setup_irq(0, &irq0)的代码在/arch/i386/kernel/irq.c中,其主要功能就是将中断程序连入相应的中断请求队列,以等待中断到来时相应的中断程序被执行。

struct irqaction {
irq_handler_t handler; //中断处理函数,注册时提供
unsigned long flags; //中断标志,注册时提供
cpumask_t mask; //中断掩码
const char *name; //中断名称
void *dev_id; //设备id,本文后面部分介绍中断共享时会详细说明这个参数的作用
struct irqaction *next; //如果有中断共享,则继续执行,
int irq; //中断号,注册时提供
struct proc_dir_entry *dir; //指向IRQn相关的/proc/irq/n目录的描述符
};

这个结构体包含了处理一种中断所需要的各种信息,它代表了内核接受到特定IRQ之后应该采取的操作。

1.handler:该指针所指向的函数就是在中断服务程序,当中断发生时内核便会调用这个指针指向的函数。

2.flags:该标志位可以是0,也可以是:

SA_INTERRUPT:表示此中断处理程序是一个快速中断处理程序,在2.6中默认情况下没有这个标志;设置该标志位,中断处理程序禁止任何中断运行,没有该标志,仅屏蔽正在运行的IRQ线;

SA_SAMPLE_RANDOM:表示这个中断对内核池有贡献,在中断时产生一些随机数;

SA_SHIRQ:此标志位表示允许多个中断服务程序共享一个中断号,如不设则一个程序对应一个中断线;

3.mask:在x86上不会用到。

4.name:产生中断的硬件的名字.

5.dev_id:该标志位主要在共享中断号时使用,即你设置flags=SA_SHIRQ时,有多个中断服务程序共享一个中断号时,内核就需要知道在用完中断程序后该删除那个中断服务程序。不共享时此成员为null。

6.next:如果flags=SA_SHIRQ,那么这就是指向对列中下一个struct irqaction结构体的指针,否则为空。

7.irq:不用说这就是中断号了。

到现在为止,我们仅仅是把时钟中断程序挂入中断请求队列,什么时候执行,怎样执行,这是一个复杂的过程(参见第三章),为了让读者对时钟中断有一个完整的认识,我们忽略中间过程,而给出一个整体描述。我们将有关函数改写如下,体现时钟中断的大意:

do_timer_interrupt( ) /*这是一个伪函数 */
{
SAVE_ALL /*保存处理机现场 */
intr_count += 1; /* 这段操作不允许被中断 */
timer_interrupt() /* 调用时钟中断程序 */
intr_count -= 1;
jmp ret_from_intr /* 中断返回函数 */
}

其中,jmp ret_from_intr 是一段汇编代码,也是一个较为复杂的过程,它最终要调用jmp ret_from_sys_call,即系统调用返回函数,而这个函数与进程的调度又密切相关,,因此,我们重点分析 jmp ret_from_sys_call。

3.系统调用返回函数:

系统调用返回函数的源代码在/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

这一段汇编代码就是前面我们所说的“从系统调用返回函数”ret_from_sys_call,它是从中断、异常及系统调用返回时的通用接口。这段代码主体就是ret_from_sys_call函数,其执行过程中要调用其它一些函数(实际上是一段代码,不是真正的函数),在此我们列出相关的几个函数:

(1)ret_from_sys_call:主体

(2)reschedule:检测是否需要重新调度

(3)signal_return:处理当前进程接收到的信号

(4)v86_signal_return:处理虚拟86模式下当前进程接收到的信号

(5)RESTORE_ALL:我们把这个函数叫做彻底返回函数,因为执行该函数之后,就返回到当前进程的地址空间中去了。

可以看到ret_from_sys_call的主要作用有:

检测调度标志need_resched,决定是否要执行调度程序;处理当前进程的信号;恢复当前进程的环境使之继续执行。

最后我们再次从总体上浏览一下时钟中断:

每个时钟滴答,时钟中断得到执行。时钟中断执行的频率很高:100次/秒,时钟中断的主要工作是处理和时间有关的所有信息、决定是否执行调度程序以及处理下半部分。和时间有关的所有信息包括系统时间、进程的时间片、延时、使用CPU的时间、各种定时器,进程更新后的时间片为进程调度提供依据,然后在时钟中断返回时决定是否要执行调度程序。下半部分处理程序是Linux提供的一种机制,它使一部分工作推迟执行。时钟中断要绝对保证维持系统时间的准确性,而下半部分这种机制的提供不但保证了这种准确性,还大幅提高了系统性能。

总结

以上就是本文关于Linux之时钟中断详解的全部内容,希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题,如有不足之处,欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持!


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