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Linux之時鍾中斷
from：深入分析Linux內核源碼（https://oss.org.cn/kernel-book/）
時鍾中斷的產生
Linux的OS時鍾的物理產生原因是可編程定時/計數器產生的輸出脈衝，這個脈衝送入CPU，就可以引發一個中斷請求信號，我們就把它叫做時鍾中斷。
“時鍾中斷”是特別重要的一個中斷，因為整個操作係統的活動都受到它的激勵。係統利用時鍾中斷維持係統時間、促使環境的切換，以保證所有進程共享CPU；利用時鍾中斷進行記帳、監督係統工作以及確定未來的調度優先級等工作。可以說，“時鍾中斷”是整個操作係統的脈搏。
時鍾中斷的物理產生如圖所示：
圖 8253和8259A的物理連接方式
操作係統對可編程定時/計數器進行有關初始化，然後定時/計數器就對輸入脈衝進行計數（分頻），產生的三個輸出脈衝Out0、Out1、Out2各有用途，很多接口書都介紹了這個問題，我們隻看Out0上的輸出脈衝，這個脈衝信號接到中斷控製器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鍾中斷，時鍾中斷的周期，也就是脈衝信號的周期，我們叫做“滴答”或“時標”（tick）。從本質上說，時鍾中斷隻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鍾中斷。
Linux實現時鍾中斷的全過程
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，隻大體介紹以下它的組成和作用，如下表5.1所示：
表 8253/8254的組成及作用
|
名稱 |
端口地址 |
工作方式 |
產生的輸出脈衝的用途 |
|
計數器0 |
0x40 |
方式3 |
時鍾中斷，也叫係統時鍾 |
|
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 |
|
控製寄存器 |
0x43 |
/ |
用於8253的初始化，接收控製字 |
計數器0的輸出就是圖5.3中的Out0，它的頻率由操作係統的設計者確定，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的控製字：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中的輸入脈衝 */
#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* 計數器0的計數初值 */
CLOCK_TICK_RATE是整個8253的輸入脈衝，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鍾進行計數，進而產生不同的輸出信號，用於不同的用途。
HZ表示計數器0的頻率，也就是時鍾中斷或係統時鍾的頻率，在/include/asm/param.h中定義如下:
#define HZ 100
2.與時鍾中斷相關的函數
下麵我們看時鍾中斷觸發的服務程序，該程序代碼比較複雜，分布在不同的源文件中，主要包括如下函數：
時鍾中斷程序：timer_interrupt( )；
中斷服務通用例程do_timer_interrupt();
時鍾函數：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係如下：
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,它真正做的事情並不多,但是,作為一個中斷程序,它必須在關中斷的情況下執行。如果隻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鍾(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，以便於讀者理解：
static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
do_timer(regs); /* 調用時鍾函數，將時鍾函數等同於時鍾中斷未嚐不可*/
if(xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660)
update_RTC();
/*每隔11分鍾就更新RTC中的時間信息，以使OS時鍾和RTC時鍾保持同步,11分鍾即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是前麵所提到的timeval類型，這是一個全局變量。
(3) 時鍾函數do_timer() (在/kernel/sched.c中)
void do_timer(struct pt_regs * regs)
{
(*(unsigned long *)&jiffies)++; /*更新係統時間，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後退出，以處理其他事情。那麼，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後半部分去去處理。 上麵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（）執行前時鍾中斷發生的次數。因為時鍾中斷發生的頻率很高（每10ms一次），所以在timer_bh（）執行之前，可能已經有時鍾中斷發生了，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（）執行前時鍾中斷發生的次數，如果時鍾中斷發生時當前進程運行於內核態，則lost_ticks_system用來記錄timer_bh（）執行前在內核態發生時鍾中斷的次數，這樣可以對當前進程精確記費。
（4）中斷安裝程序
從上麵的介紹可以看出，時鍾中斷與進程調度密不可分，因此，一旦開始有時鍾中斷就可能要進行調度，在係統進行初始化時，所做的大量工作之一就是對時鍾進行初始化，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時鍾芯片讀入變量xtime中，時間精度為秒。而setup_irq（0，＆irq0）就是時鍾中斷安裝函數，那麼irq0指的是什麼呢，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，我們僅僅是把時鍾中斷程序掛入中斷請求隊列，什麼時候執行，怎樣執行，這是一個複雜的過程（參見第三章），為了讓讀者對時鍾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，體現時鍾中斷的大意：
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() ／* 調用時鍾中斷程序 *／
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，也是一個較為複雜的過程，它最終要調用jmp ret_from_sys_call，即係統調用返回函數，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．係統調用返回函數：
係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麵我們所說的“從係統調用返回函數”ret_from_sys_call，它是從中斷、異常及係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，因為執行該函數之後，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：
檢測調度標誌need_resched，決定是否要執行調度程序；處理當前進程的信號；恢複當前進程的環境使之繼續執行。
最後我們再次從總體上瀏覽一下時鍾中斷：
每個時鍾滴答，時鍾中斷得到執行。時鍾中斷執行的頻率很高：100次/秒，時鍾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係統時間、進程的時間片、延時、使用CPU的時間、各種定時器，進程更新後的時間片為進程調度提供依據，然後在時鍾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提供的一種機製，它使一部分工作推遲執行。時鍾中斷要絕對保證維持係統時間的準確性，而下半部分這種機製的提供不但保證了這種準確性，還大幅提高了係統性能。
最後更新：2017-04-03 18:51:44