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這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Linux中時鐘中斷的方法,小編覺得挺實用的,因此分享給大家做個參考,希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。
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(jìn)程的時間片,若進(jìn)程的時間片遞減到0,進(jìn)程則被調(diào)度出去而放棄CPU使用權(quán)。
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(jìn)程共享CPU;利用時鐘中斷進(jìn)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??梢哉f,“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(jìn)行有關(guān)初始化,然后定時/計數(shù)器就對輸入脈沖進(jìn)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(biāo)”(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(wù)程序,但是為了方便,我們就把這個服務(wù)程序叫做時鐘中斷。
IBM PC中使用的是8253或8254芯片。有關(guān)該芯片的詳細(xì)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:
表 8253/8254的組成及作用
名稱 | 端口地址 | 工作方式 | 產(chǎn)生的輸出脈沖的用途 |
計數(shù)器0 | 0x40 | 方式3 | 時鐘中斷,也叫系統(tǒng)時鐘 |
計數(shù)器1 | 0x41 | 方式2 | 動態(tài)存儲器刷新 |
計數(shù)器2 | 0x42 | 方式3 | 揚聲器發(fā)聲 |
控制寄存器 | 0x43 | / | 用于8253的初始化,接收控制字 |
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(shè)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(shè)置成內(nèi)核代碼段的選擇符,偏移域設(shè)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5.3中所示為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(jìn)行計數(shù),進(jìn)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(wù)程序,該程序代碼比較復(fù)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(wù)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(guān)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(wù),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(jìn)程調(diào)度有關(guān),從函數(shù)的名子可以看出,它處理的是與當(dāng)前進(jìn)程與時間有關(guān)的變量,例如,要更新當(dāng)前進(jìn)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(jìn)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(guān)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(guān)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(guān)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(zhǔn)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(dāng)前進(jìn)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(dāng)前進(jìn)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(jìn)程調(diào)度密不可分,因此,一旦開始有時鐘中斷就可能要進(jìn)行調(diào)度,在系統(tǒng)進(jìn)行初始化時,所做的大量工作之一就是對時鐘進(jìn)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(yīng)的中斷請求隊列,以等待中斷到來時相應(yīng)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(biāo)志,注冊時提供 cpumask_t mask; //中斷掩碼 const char *name; //中斷名稱 void *dev_id; //設(shè)備id,本文后面部分介紹中斷共享時會詳細(xì)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(guān)的/proc/irq/n目錄的描述符 };
這個結(jié)構(gòu)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(yīng)該采取的操作。
1.handler:該指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)就是在中斷服務(wù)程序,當(dāng)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(biāo)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(rèn)情況下沒有這個標(biāo)志;設(shè)置該標(biāo)志位,中斷處理程序禁止任何中斷運行,沒有該標(biāo)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(xiàn),在中斷時產(chǎn)生一些隨機數(shù);
SA_SHIRQ:此標(biāo)志位表示允許多個中斷服務(wù)程序共享一個中斷號,如不設(shè)則一個程序?qū)?yīng)一個中斷線;
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(biāo)志位主要在共享中斷號時使用,即你設(shè)置flags=SA_SHIRQ時,有多個中斷服務(wù)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(wù)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(jié)構(gòu)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(fù)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(rèn)識,我們忽略中間過程,而給出一個整體描述。我們將有關(guān)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(fù)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(jìn)程的調(diào)度又密切相關(guān),,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(guān)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(dāng)前進(jìn)程接收到的信號
(4)v86_signal_return:處理虛擬86模式下當(dāng)前進(jìn)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(dāng)前進(jìn)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(biāo)志need_resched,決定是否要執(zhí)行調(diào)度程序;處理當(dāng)前進(jìn)程的信號;恢復(fù)當(dāng)前進(jìn)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(guān)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(guān)的所有信息包括系統(tǒng)時間、進(jìn)程的時間片、延時、使用CPU的時間、各種定時器,進(jìn)程更新后的時間片為進(jìn)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(zhǔn)確性,而下半部分這種機制的提供不但保證了這種準(zhǔn)確性,還大幅提高了系統(tǒng)性能。
關(guān)于“Linux中時鐘中斷的方法”這篇文章就分享到這里了,希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助,使各位可以學(xué)到更多知識,如果覺得文章不錯,請把它分享出去讓更多的人看到。
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