5.2.2.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82538254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:

 

5.1           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5.3中的Out0,它的频率由操作系统的设计者确定,Linux8253的初始化程序段如下(在/arch/i386/kernel/i8259.cinit_IRQ()函数中):

 

set_intr_gate(ox20, interrupt[0]);

*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    /* 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( );

 

前三个函数的调用关系如下:

     timer_interrupt( )

       

              do_timer_interrupt()

   

                      do_timer( )

(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() (/kernel/sched.c)

 

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_tickslost_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。

 

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_irq0,&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_irq0,&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。

 

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

  

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:

1ret_from_sys_call:主体

2reschedule:检测是否需要重新调度

3signal_return:处理当前进程接收到的信号

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

5RESTORE_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/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。