Linux时间子系统之（十二）：periodic tick
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?Notes：TickDevice模式，以及clocckevent設備。TickDevice設備的初始化，TickDevice是如何加入到系統中的。周期性Tick的產生。
原文地址：Linux時間子系統之（十二）：periodic tick
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一、tick device概念介紹
1、數據結構
在內核中，使用struct tick_device來抽象系統中的tick設備，如下：
struct tick_device {
??? struct clock_event_device *evtdev;
??? enum tick_device_mode mode;
};
從上面的定義就可以看出：所謂tick device其實就是工作在某種模式下的clock event設備。工作模式體現在tick device的mode成員，evtdev指向了和該tick device關聯的clock event設備。
Notes：clock_event_device是對能觸發clock時間設備的屬性、能力的一個描述。屬性包括features、irq、cpumask、rating等，能力包括設置next_event、event_handler、broadcast等。兩種模式是周期性和一次觸發模式。周期性tick只需要設置一次tick周期；而one shot每次到期后需要再次設置cycles，主要用戶NOTICK和hrtimer。
tick device的工作模式定義如下：
enum tick_device_mode {
??? TICKDEV_MODE_PERIODIC,
??? TICKDEV_MODE_ONESHOT,
};
tick device可以工作在兩種模式下，一種是周期性tick模式，另外一種是one shot模式。one shot模式主要和tickless系統以及高精度timer有關，會在另外的文檔中描述，本文主要介紹periodic mode。
2、tick device的分類以及和CPU的關系
Notes：
| local tick device | DEFINE_PER_CPU(struct tick_device, tick_cpu_device) | 必須能將中斷送達綁定CPU |
| global tick device | int tick_do_timer_cpu __read_mostly = TICK_DO_TIMER_BOOT; | 從local tick device中選一個而作為global tick device |
| broadcast tick device | static struct tick_device tick_broadcast_device. | 必須具備廣播功能，將中斷送達每一個CPU。 |
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（1） local tick device。在單核系統中，傳統的unix都是在tick驅動下進行任務調度、低精度timer觸發等，在多核架構下，系統為每一個cpu建立了一個tick device，如下：
DEFINE_PER_CPU(struct tick_device, tick_cpu_device);
local tick device的clock event device應該具備下面的特點：
（a）該clock event device對應的HW timer必須是和該CPU core是有關聯的的（也就是說，該hw timer的中斷是可以送達到該CPU core的）。struct clock_event_device 有一個cpumask成員，它可以指示該clock event device為哪一個或者哪幾個CPU core工作。如果采用ARM generic timer的硬件，其HW timer總是為一個CPU core服務的，我們稱之為per cpu timer。
（b）該clock event device支持one shot模式，并且精度最高（rating最大）
（2）global tick device。具體定義如下：
int tick_do_timer_cpu __read_mostly = TICK_DO_TIMER_BOOT;
有些任務不適合在local tick device中處理，例如更新jiffies，更新系統的wall time，更新系統的平均負載（不是單一CPU core的負載），這些都是系統級別的任務，只需要在local tick device中選擇一個作為global tick device就OK了。tick_do_timer_cpu指明哪一個cpu上的local tick作為global tick。
（3）broadcast tick device，定義如下：
static struct tick_device tick_broadcast_device;
我們會單獨一份文檔描述它，這里就不再描述了。
二、初始化tick device
1、注冊一個新的clock event device的時候，tick device layer要做什么？
在clock event device的文章中，我們知道：底層的timer硬件驅動在初始化的時候會注冊clock event device，在注冊過程中就會調用tick_check_new_device函數來看看是否需要進行tick device的初始化，如果已經已經初始化OK的tick device是否有更換更高精度clock event device的需求。代碼如下：
void tick_check_new_device(struct clock_event_device *newdev)
{
??? struct clock_event_device *curdev;
??? struct tick_device *td;
??? int cpu;
??? cpu = smp_processor_id();－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（1）
??? if (!cpumask_test_cpu(cpu, newdev->cpumask))??????? goto out_bc;
??? td = &per_cpu(tick_cpu_device, cpu);－－－獲取當前cpu的tick device
??? curdev = td->evtdev; －－－目前tick device正在使用的clock event device
??? if (!tick_check_percpu(curdev, newdev, cpu))－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（2）
??????? goto out_bc;
??? if (!tick_check_preferred(curdev, newdev))－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（3）
??????? goto out_bc;
??? if (!try_module_get(newdev->owner)) －－－－－增加新設備的reference count
??????? return;
??? if (tick_is_broadcast_device(curdev)) { －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（4）
??????? clockevents_shutdown(curdev);
??????? curdev = NULL;
??? }
??? clockevents_exchange_device(curdev, newdev); －－－通知clockevent layer
??? tick_setup_device(td, newdev, cpu, cpumask_of(cpu)); －－－－－－－－－－－－－－－（5）
??? if (newdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT) －－－其他文檔中描述
??????? tick_oneshot_notify();
??? return;
out_bc:
??? tick_install_broadcast_device(newdev); －－－－其他文檔中描述
}
Notes：從一大堆goto out_bc可知，對于替換當前tick device還是很謹慎的。不滿足條件的clock event device作為broadcast device備選。交給tick_install_broadcast_device裁決，tick_check_broadcast_device裁決通過后，替換當前的tick_broadcast_device.evtdev。
（1）是否是為本CPU服務的clock event device？如果不是，那么不需要考慮per cpu tick device的初始化或者更換該cpu tick device的clock event device。當然，這是還是可以考慮用在broadcast tick device的。
（2）第二個關卡是per cpu的檢查。如果檢查不通過，那么說明這個新注冊的clock event device和該CPU不來電，不能用于該cpu的local tick。如果注冊的hw timer都是cpu local的（僅僅屬于一個cpu，這時候該clock event device的cpumask只有一個bit被set），那么事情會比較簡單。然而，事情往往沒有那么簡單，一個hw timer可以服務多個cpu。我們這里說HW timer服務于某個cpu其實最重要的是irq是否可以分發到指定的cpu上。我們可以看看tick_check_percpu的實現：
static bool tick_check_percpu(struct clock_event_device *curdev,
????????????????? struct clock_event_device *newdev, int cpu)
{
??? if (!cpumask_test_cpu(cpu, newdev->cpumask))－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（a）
??????? return false;
??? if (cpumask_equal(newdev->cpumask, cpumask_of(cpu)))－－－－－－－－－－－－－－－（b）
??????? return true;
??? if (newdev->irq >= 0 && !irq_can_set_affinity(newdev->irq))－－－－－－－－－－－－－－（c）
??????? return false;
??? if (curdev && cpumask_equal(curdev->cpumask, cpumask_of(cpu)))－－－－－－－－－－（d）
??????? return false;
??? return true;
}
（a）判斷這個新注冊的clock event device是否可以服務該CPU，如果它根本不鳥這個cpu那么不用浪費時間了。
（b）判斷這個新注冊的clock event device是否只服務該CPU。如果這個clock event device就是服務該cpu的，那么別想三想四了，這個clock event device就是你這個CPU的人了。
（c）如果能走到這里，說明該clock event device可以服務多個CPU，指定的cpu（作為參數傳遞進來）只是其中之一而已，這時候，可以通過設定irq affinity將該clock event device的irq定向到該cpu。當前，前提是可以進行irq affinity的設定，這里就是進行這樣的檢查。
（d）走到這里，說明該新注冊的clock event device是可以進行irq affinity設定的。我們可以通過修改irq affinity讓該hw timer服務于這個指定的CPU。恩，聽起來有些麻煩，的確如此，如果當前CPU的tick device正在使用的clock event device就是special for當前CPU的（根本不鳥其他CPU），有如此專情的clock event device，夫復何求，果斷拒絕新注冊的設備。
（3）程序來到這里，說明tick_check_percpu返回true，CPU和該clock event device之間的已經是眉目傳情了，不過是否可以入主，就看該cpu的原配是否有足夠強大的能力（精度和特性）。tick_check_preferred代碼如下：
static bool tick_check_preferred(struct clock_event_device *curdev,
???????????????? struct clock_event_device *newdev)
{
?? if (!(newdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT)) {－－－－－－－－－－－－－－（a）
??????? if (curdev && (curdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT))
??????????? return false;
??????? if (tick_oneshot_mode_active())
??????????? return false;
??? }
??? return !curdev ||
??????? newdev->rating > curdev->rating ||
?????????? !cpumask_equal(curdev->cpumask, newdev->cpumask);－－－－－－－－－－－－－（b）
}
（a）首先進行one shot能力比拼。如果新的clock event device沒有one shot能力而原配有，新歡失敗。如果都沒有one shot的能力，那么要看看當前系統是否啟用了高精度timer或者tickless。本質上，如果clock event device沒有oneshot功能，那么高精度timer或者tickless都是處于委曲求全的狀態，如果這樣，還是維持原配的委曲求全的狀態，新歡失敗
（b）如果current是NULL的話，事情變得非常簡單，當然是新來的這個clock event device勝出了（這時候，后面的比較都沒有意義了）。如果原配存在的話，那么可以看rating，如果新來的精度高，那也選擇新來的clock event device。是否精度低就一定不選新的呢？也不是，新設備還是有機會力挽狂瀾的：如果新來的是local timer，而原配是非local timer，這時候，也可以考慮選擇新的，畢竟新來的clock event device是local timer，精度低一些也沒有關系。
當tick_check_percpu返回true的時候有兩種情況：一種是不管current是什么狀態，新設備是CPU的local timer（只為這個cpu服務）。另外一種情況是新設備不是CPU的local timer，當然原配也沒有那么專一。
我們先看看第一種情況：如果cpumask_equal返回true，那么說明原配也是local timer，那么沒有辦法了，誰的rating高就選誰。如果cpumask_equal返回false，那么說明原配不是local timer，那么即便新來的rating低一些也還是優先選擇local timer。
我們再看看第二種情況：這里我絕對邏輯有問題，不知道是代碼的問題還是我還沒有考慮清楚，先TODO吧。
（4）OK，經過復雜的檢查，我們終于決定要用這個新注冊的clock event device來替代current了（當然，也有可能current根本不存在）。在進行替換之前，我們還有檢查一下current是否是broadcast tick device，如果是的話，還不能將其退回clockevents layer，僅僅是設定其狀態為shutdown。curdev = NULL這一句很重要，在clockevents_exchange_device函數中，如果curdev == NULL的話，old device將不會從全局鏈表中摘下，掛入clockevents_released鏈表。
（5）setup tick device，參考下一節描述。
2、如何Setup 一個 tick device？
所謂setup一個tick device就是對tick device心儀的clock event設備進行設置，并將該tick device的evtdev指向新注冊的這個clock event device，具體代碼如下：
static void tick_setup_device(struct tick_device *td,
????????????????? struct clock_event_device *newdev, int cpu,
????????????????? const struct cpumask *cpumask)
{
??? ktime_t next_event;
??? void (*handler)(struct clock_event_device *) = NULL;
??? if (!td->evtdev) {
??????? if (tick_do_timer_cpu == TICK_DO_TIMER_BOOT) {－－－－－－－－－－－－－－（1）
??????????? ……
??????? }
??????? td->mode = TICKDEV_MODE_PERIODIC;－－－－－－－－－－－－－－－－－－（2）
??? } else {
??????? handler = td->evtdev->event_handler;
??????? next_event = td->evtdev->next_event;
??????? td->evtdev->event_handler = clockevents_handle_noop; －－－－－－－－－－－－（3）
??? }
??? td->evtdev = newdev; －－－－－終于修成正果了，呵呵
??? if (!cpumask_equal(newdev->cpumask, cpumask)) －－－－－－－－－－－－－－－（4）
??????? irq_set_affinity(newdev->irq, cpumask);
??? if (tick_device_uses_broadcast(newdev, cpu)) －－－－－－－留給broadcast tick文檔吧
??????? return;
??? if (td->mode == TICKDEV_MODE_PERIODIC)
??????? tick_setup_periodic(newdev, 0); －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（5）
??? else
??????? tick_setup_oneshot(newdev, handler, next_event); －－－－－其他文檔描述
}
（1）在multi core的環境下，每一個CPU core都自己的tick device（可以稱之local tick device），這些tick device中有一個被選擇做global tick device，負責維護整個系統的jiffies。如果該tick device的是第一次設定，并且目前系統中沒有global tick設備，那么可以考慮選擇該tick設備作為global設備，進行系統時間和jiffies的更新。更細節的內容請參考timekeeping文檔。
（2）在最初設定tick device的時候，缺省被設定為周期性的tick。當然，這僅僅是初始設定，實際上在滿足一定的條件下，在適當的時間，tick device是可以切換到其他模式的，下面會具體描述。
（3）舊的clockevent設備就要退居二線了，將其handler修改為clockevents_handle_noop。
（4）如果不是local timer，那么還需要調用irq_set_affinity函數，將該clockevent的中斷，定向到本CPU。
（5）tick_setup_periodic的代碼如下（注：下面的代碼分析中暫不考慮broadcast tick的情況）：
void tick_setup_periodic(struct clock_event_device *dev, int broadcast)
{
??? tick_set_periodic_handler(dev, broadcast); －－－－設定event handler為tick_handle_periodic
??? if ((dev->features & CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC) && !tick_broadcast_oneshot_active()) {
??????? clockevents_set_mode(dev, CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC);－－－－－－－－－（a）
??? } else {
??????? unsigned long seq;
??????? ktime_t next;
??????? do {
??????????? seq = read_seqbegin(&jiffies_lock);
??????????? next = tick_next_period; －－－－－獲取下一個周期性tick觸發的時間
??????? } while (read_seqretry(&jiffies_lock, seq));
??????? clockevents_set_mode(dev, CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT); －－－模式設定
??????? for (;;) {
??????????? if (!clockevents_program_event(dev, next, false)) －－－－program next clock event
??????????????? return;
??????????? next = ktime_add(next, tick_period); －－－－－－計算下一個周期性tick觸發的時間
??????? }
??? }
}
（a）如果底層的clock event device支持periodic模式，那么直接調用clockevents_set_mode設定模式就OK了
（b）如果底層的clock event device不支持periodic模式，而tick device目前是周期性tick mode，那么要稍微復雜一些，需要用clock event device的one shot模式來實現周期性tick。
三、周期性tick的運作
1、從中斷到clock event handler
一般而言，底層的clock event chip driver會注冊中斷，我們用ARM generic timer驅動為例，注冊的代碼如下：
…
err = request_percpu_irq(ppi, arch_timer_handler_phys, "arch_timer", arch_timer_evt);
……
具體的timer的中斷handler如下：
static irqreturn_t arch_timer_handler_phys_mem(int irq, void *dev_id)
{
????? ……
??????? evt->event_handler(evt);
?? ……
}
也就是說，在timer interrupt handler中會調用clock event device的event handler，而在周期性tick的場景下，這個event handler被設定為tick_handle_periodic。
2、周期性tick的clock event handler的執行分析
由于每個cpu都有自己的tick device，因此，在每個cpu上，每個tick到了的時候，都會調用tick_handle_periodic函數進行周期性tick中要處理的task，具體如下：
void tick_handle_periodic(struct clock_event_device *dev)
{
??? int cpu = smp_processor_id();
??? ktime_t next;
??? tick_periodic(cpu); －－－－周期性tick中要處理的內容，參考下節描述
??? if (dev->mode != CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT)
??????? return;
??? next = ktime_add(dev->next_event, tick_period);－－－－計算下一個周期性tick觸發的時間
??? for (;;) {
??????? if (!clockevents_program_event(dev, next, false))－－－設定下一個clock event觸發的時間
??????????? return;
??????? if (timekeeping_valid_for_hres())－－－－－－在其他文檔中描述
??????????? tick_periodic(cpu);
??????? next = ktime_add(next, tick_period);
??? }
}
如果該tick device所屬的clock event device工作在one shot mode，那么還需要為產生周期性tick而進行一些額外處理。
2、周期性tick中要處理的內容
代碼如下：
static void tick_periodic(int cpu)
{
??? if (tick_do_timer_cpu == cpu) {－－－－global tick需要進行一些額外處理
??????? write_seqlock(&jiffies_lock);
??????? tick_next_period = ktime_add(tick_next_period, tick_period);
??????? do_timer(1);－－－－－－－－－－－－－更新jiffies，計算平均負載
??????? write_sequnlock(&jiffies_lock);
??????? update_wall_time();－－－－－－－－－－更新wall time
??? }
??? update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));－－－－更新和當前進程相關的內容
??? profile_tick(CPU_PROFILING);－－－－－－和性能剖析相關，不詳述了
}
原創文章，轉發請注明出處。蝸窩科技
http://www.wowotech.net/timer_subsystem/periodic-tick.html
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux时间子系统之（十二）：periodic tick的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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