from：深入分析Linux內(nèi)核源碼（http://oss.org.cn/kernel-book/）

?時(shí)鐘中斷的產(chǎn)生

? ? ?Linux的OS時(shí)鐘的物理產(chǎn)生原因是可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的輸出脈沖，這個(gè)脈沖送入CPU，就可以引發(fā)一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，我們就把它叫做時(shí)鐘中斷。

“時(shí)鐘中斷”是特別重要的一個(gè)中斷，因?yàn)檎麄€(gè)操作系統(tǒng)的活動(dòng)都受到它的激勵(lì)。系統(tǒng)利用時(shí)鐘中斷維持系統(tǒng)時(shí)間、促使環(huán)境的切換，以保證所有進(jìn)程共享CPU；利用時(shí)鐘中斷進(jìn)行記帳、監(jiān)督系統(tǒng)工作以及確定未來(lái)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)等工作。可以說(shuō)，“時(shí)鐘中斷”是整個(gè)操作系統(tǒng)的脈搏。

時(shí)鐘中斷的物理產(chǎn)生如圖所示：

???????????????????????
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 8253和8259A的物理連接方式

操作系統(tǒng)對(duì)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行有關(guān)初始化，然后定時(shí)/計(jì)數(shù)器就對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（分頻），產(chǎn)生的三個(gè)輸出脈沖Out0、Out1、Out2各有用途，很多接口書(shū)都介紹了這個(gè)問(wèn)題，我們只看Out0上的輸出脈沖，這個(gè)脈沖信號(hào)接到中斷控制器8259A_1的0號(hào)管腳，觸發(fā)一個(gè)周期性的中斷，我們就把這個(gè)中斷叫做時(shí)鐘中斷，時(shí)鐘中斷的周期，也就是脈沖信號(hào)的周期，我們叫做“滴答”或“時(shí)標(biāo)”（tick）。從本質(zhì)上說(shuō)，時(shí)鐘中斷只是一個(gè)周期性的信號(hào)，完全是硬件行為，該信號(hào)觸發(fā)CPU去執(zhí)行一個(gè)中斷服務(wù)程序，但是為了方便，我們就把這個(gè)服務(wù)程序叫做時(shí)鐘中斷。

?

Linux實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘中斷的全過(guò)程

1．可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化

?

IBM PC中使用的是8253或8254芯片。有關(guān)該芯片的詳細(xì)知識(shí)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(chēng)	端口地址	工作方式	產(chǎn)生的輸出脈沖的用途
計(jì)數(shù)器0	0x40	方式3	時(shí)鐘中斷，也叫系統(tǒng)時(shí)鐘
計(jì)數(shù)器1	0x41	方式2	動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器刷新
計(jì)數(shù)器2	0x42	方式3	揚(yáng)聲器發(fā)聲
控制寄存器	0x43	/	用于8253的初始化，接收控制字

?

計(jì)數(shù)器0的輸出就是圖5.3中的Out0，它的頻率由操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者確定，Linux對(duì)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(gè)表項(xiàng)中插入一個(gè)中斷門(mén)。這個(gè)門(mén)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(hào)中斷處理程序的入口地址。*/

?

outb_p(0x34,0x43);?????/*?寫(xiě)計(jì)數(shù)器0的控制字：工作方式2*/

outb_p(LATCH & 0xff , 0x40);???/*?寫(xiě)計(jì)數(shù)初值LSB??計(jì)數(shù)初值低位字節(jié)*/??

outb(LATCH >> 8 , 0x40);???/*?寫(xiě)計(jì)數(shù)初值MSB?計(jì)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(jì)數(shù)器0的初值）為計(jì)數(shù)器0的計(jì)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(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)初值?*/

?

CLOCK_TICK_RATE是整個(gè)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(hào)，8253內(nèi)部的三個(gè)計(jì)數(shù)器都對(duì)這個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)，用于不同的用途。

HZ表示計(jì)數(shù)器0的頻率，也就是時(shí)鐘中斷或系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率，在/include/asm/param.h中定義如下:

?

#define HZ 100

?

2.與時(shí)鐘中斷相關(guān)的函數(shù)

下面我們看時(shí)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(shí)鐘中斷程序：timer_interrupt( )；

中斷服務(wù)通用例程do_timer_interrupt();

時(shí)鐘函數(shù)：do_timer( )；

中斷安裝程序：setup_irq(?);

中斷返回函數(shù)：ret_from_intr(?);

?

前三個(gè)函數(shù)的調(diào)用關(guān)系如下：

?????timer_interrupt(?)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? do_timer_interrupt()

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?do_timer(?)

(1)?timer_interrupt(?)

????這個(gè)函數(shù)大約每10ms被調(diào)用一次，實(shí)際上,?timer_interrupt( )函數(shù)是一個(gè)封裝例程,它真正做的事情并不多,但是,作為一個(gè)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(jī)的情況，該函數(shù)主要語(yǔ)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(gè)主要任務(wù),一個(gè)是調(diào)用do_timer( ),另一個(gè)是維持實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC,每隔一定時(shí)間段要回寫(xiě)),其實(shí)現(xiàn)代碼在/arch/i386/kernel/time.c中， 為了突出主題，筆者對(duì)以下函數(shù)作了改寫(xiě)，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(shí)鐘函數(shù)，將時(shí)鐘函數(shù)等同于時(shí)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(shí)間信息，以使OS時(shí)鐘和RTC時(shí)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(shí)的值?*/

???????????????????????????????????????????????????????

}

?

??其中，xtime是前面所提到的timeval類(lèi)型，這是一個(gè)全局變量。

?

(3)?時(shí)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(shí)間，這種寫(xiě)法保證對(duì)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(shí)間有關(guān)的變量，例如，要更新當(dāng)前進(jìn)程的時(shí)間片計(jì)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(shí)器：實(shí)時(shí)、虛擬、概況，另外還要做一些統(tǒng)計(jì)工作。

與時(shí)間有關(guān)的事情很多，不能全都讓這個(gè)函數(shù)去完成，這是因?yàn)檫@個(gè)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(shí)間信息后退出，以處理其他事情。那么，與時(shí)間相關(guān)的其他信息誰(shuí)去處理，何時(shí)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(gè)變量lost_ticks和lost_ticks_system，這是用來(lái)記錄timer_bh（）執(zhí)行前時(shí)鐘中斷發(fā)生的次數(shù)。因?yàn)闀r(shí)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(shí)鐘中斷發(fā)生了，而timer_bh（）要提供定時(shí)、記費(fèi)等重要操作，所以為了保證時(shí)間計(jì)量的準(zhǔn)確性，使用了這兩個(gè)變量。lost_ticks用來(lái)記錄timer_bh（）執(zhí)行前時(shí)鐘中斷發(fā)生的次數(shù)，如果時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，則lost_ticks_system用來(lái)記錄timer_bh（）執(zhí)行前在內(nèi)核態(tài)發(fā)生時(shí)鐘中斷的次數(shù)，這樣可以對(duì)當(dāng)前進(jìn)程精確記費(fèi)。

?

（4）中斷安裝程序

?????從上面的介紹可以看出，時(shí)鐘中斷與進(jìn)程調(diào)度密不可分，因此，一旦開(kāi)始有時(shí)鐘中斷就可能要進(jìn)行調(diào)度，在系統(tǒng)進(jìn)行初始化時(shí)，所做的大量工作之一就是對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行初始化，其函數(shù)time_init ()的代碼在/arch/i386/kernel/time.c中，對(duì)其簡(jiǎn)寫(xiě)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(shí)的實(shí)際時(shí)間從CMOS時(shí)鐘芯片讀入變量xtime中，時(shí)間精度為秒。而setup_irq（0，＆irq0）就是時(shí)鐘中斷安裝函數(shù)，那么irq0指的是什么呢，它是一個(gè)結(jié)構(gòu)類(lèi)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(qǐng)求隊(duì)列，以等待中斷到來(lái)時(shí)相應(yīng)的中斷程序被執(zhí)行。

?

到現(xiàn)在為止，我們僅僅是把時(shí)鐘中斷程序掛入中斷請(qǐng)求隊(duì)列，什么時(shí)候執(zhí)行，怎樣執(zhí)行，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程（參見(jiàn)第三章），為了讓讀者對(duì)時(shí)鐘中斷有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)，我們忽略中間過(guò)程，而給出一個(gè)整體描述。我們將有關(guān)函數(shù)改寫(xiě)如下，體現(xiàn)時(shí)鐘中斷的大意：

?

do_timer_interrupt( )??????????／*這是一個(gè)偽函數(shù)?*／

{????????????????????????????????????????????

???SAVE_ALL????????????????????／*保存處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng)?*／

???intr_count += 1;??????????????／*?這段操作不允許被中斷?*／

???timer_interrupt()?????????????／*?調(diào)用時(shí)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(gè)較為復(fù)雜的過(guò)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(gè)函數(shù)與進(jìn)程的調(diào)度又密切相關(guān)，，因此，我們重點(diǎn)分析??jmp ret_from_sys_call。

???

3．系統(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)：

??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(shuō)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(shí)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(guò)程中要調(diào)用其它一些函數(shù)(實(shí)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(gè)函數(shù)：

（1）ret_from_sys_call：主體

（2）reschedule：檢測(cè)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(hào)

（4）v86_signal_return：處理虛擬86模式下當(dāng)前進(jìn)程接收到的信號(hào)

（5）RESTORE_ALL：我們把這個(gè)函數(shù)叫做徹底返回函數(shù)，因?yàn)閳?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(cè)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(hào)；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?cè)俅螐目傮w上瀏覽一下時(shí)鐘中斷：

每個(gè)時(shí)鐘滴答，時(shí)鐘中斷得到執(zhí)行。時(shí)鐘中斷執(zhí)行的頻率很高：100次/秒，時(shí)鐘中斷的主要工作是處理和時(shí)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(shí)間有關(guān)的所有信息包括系統(tǒng)時(shí)間、進(jìn)程的時(shí)間片、延時(shí)、使用CPU的時(shí)間、各種定時(shí)器，進(jìn)程更新后的時(shí)間片為進(jìn)程調(diào)度提供依據(jù)，然后在時(shí)鐘中斷返回時(shí)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(jī)制，它使一部分工作推遲執(zhí)行。時(shí)鐘中斷要絕對(duì)保證維持系統(tǒng)時(shí)間的準(zhǔn)確性，而下半部分這種機(jī)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。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux之时钟中断的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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