clock source用于为​​Linux​​内核提供一个时间基线，如果你用​​linux​​的date命令获取当前时间，内核会读取当前的clock source，转换并返回合适的时间单位给用户空间。在硬件层，它通常实现为一个由固定时钟频率驱动的计数器，计数器只能单调地增加，直到溢出为止。时钟源是内核计时的基础，系统启动时，内核通过硬件RTC获得当前时间，在这以后，在大多数情况下，内核通过选定的时钟源更新实时时间信息（墙上时间），而不再读取RTC的时间。本节的内核代码树基于V3.4.10。


1.  struct clocksource结构

内核用一个clocksource结构对真实的时钟源进行软件抽象，现在我们从clock source的​​数据结构​​开始，它的定义如下：

 

 

  1. struct clocksource {  
  2. /* 
  3.      * Hotpath data, fits in a single cache line when the 
  4.      * clocksource itself is cacheline aligned. 
  5.      */  
  6. struct clocksource *cs);  
  7.     cycle_t cycle_last;  
  8.     cycle_t mask;  
  9.     u32 mult;  
  10.     u32 shift;  
  11.     u64 max_idle_ns;  
  12.     u32 maxadj;  
  13. #ifdef CONFIG_ARCH_CLOCKSOURCE_DATA  
  14. struct arch_clocksource_data archdata;  
  15. #endif  
  16.   
  17. const char *name;  
  18. struct list_head list;  
  19. int rating;  
  20. int (*enable)(struct clocksource *cs);  
  21. void (*disable)(struct clocksource *cs);  
  22. long flags;  
  23. void (*suspend)(struct clocksource *cs);  
  24. void (*resume)(struct clocksource *cs);  
  25.   
  26. /* private: */  
  27. #ifdef CONFIG_CLOCKSOURCE_WATCHDOG  
  28. /* Watchdog related data, used by the framework */  
  29. struct list_head wd_list;  
  30.     cycle_t cs_last;  
  31.     cycle_t wd_last;  
  32. #endif  
  33. } ____cacheline_aligned;  

我们只关注clocksource中的几个重要的字段。

 

1.1  rating：时钟源的精度

同一个设备下，可以有多个时钟源，每个时钟源的精度由驱动它的时钟频率决定，比如一个由10MHz时钟驱动的时钟源，他的精度就是100nS。clocksource结构中有一个rating字段，代表着该时钟源的精度范围，它的取值范围如下：

  • 1--99： 不适合于用作实际的时钟源，只用于启动过程或用于测试；
  • 100--199：基本可用，可用作真实的时钟源，但不推荐；
  • 200--299：精度较好，可用作真实的时钟源；
  • 300--399：很好，精确的时钟源；
  • 400--499：理想的时钟源，如有可能就必须选择它作为时钟源；

 

1.2  read回调函数

时钟源本身不会产生中断，要获得时钟源的当前计数，只能通过主动调用它的read回调函数来获得当前的计数值，注意这里只能获得计数值，也就是所谓的cycle，要获得相应的时间，必须要借助clocksource的mult和shift字段进行转换计算。

1.3  mult和shift字段

因为从clocksource中读到的值是一个cycle计数值，要转换为时间，我们必须要知道驱动clocksource的时钟频率F，一个简单的计算就可以完成：

 

 

t = cycle/F;

 

 

可是clocksource并没有保存时钟的频率F，因为使用上面的公式进行计算，需要使用浮点运算，这在内核中是不允许的，因此，内核使用了另外一个变通的办法，根据时钟的频率和期望的精度，事先计算出两个辅助常数mult和shift，然后使用以下公式进行cycle和t的转换：

 

 

t = (cycle * mult) >> shift;

 

 

只要我们保证：

 

 

F = (1 << shift) / mult;

 

 

内核内部使用64位进行该转换计算：

 

  1. static inline s64 clocksource_cyc2ns(cycle_t cycles, u32 mult, u32 shift)  
  2. {  
  3. return ((u64) cycles * mult) >> shift;  
  4. }  

2.  clocksource的注册和初始化

通常，clocksource要在初始化阶段通过clocksource_register_hz函数通知内核它的工作时钟的频率，调用的过程如下：



由上图可见，最终大部分工作会转由__clocksource_register_scale完成，该函数首先完成对mult和shift值的计算，然后根据mult和shift值，最终通过clocksource_max_deferment获得该clocksource可接受的最大IDLE时间，并记录在clocksource的max_idle_ns字段中。clocksource_enqueue函数负责按clocksource的rating的大小，把该clocksource按顺序挂在全局链表clocksource_list上，rating值越大，在链表上的位置越靠前。

每次新的clocksource注册进来，都会触发clocksource_select函数被调用，它按照rating值选择最好的clocksource，并记录在全局变量curr_clocksource中，然后通过timekeeping_notify函数通知timekeeping，当前clocksource已经变更，关于timekeeping，我将会在后续的博文中阐述。

3.  clocksource watchdog

 

系统中可能同时会注册对个clocksource，各个clocksource的精度和稳定性各不相同，为了筛选这些注册的clocksource，内核启用了一个定时器用于监控这些clocksource的性能，定时器的周期设为0.5秒：

 

 

  1. #define WATCHDOG_INTERVAL (HZ >> 1)  
  2. #define WATCHDOG_THRESHOLD (NSEC_PER_SEC >> 4)  

 

当有新的clocksource被注册时，除了会挂在全局链表clocksource_list外，还会同时挂在一个watchdog链表上：watchdog_list。定时器周期性地（0.5秒）检查watchdog_list上的clocksource，WATCHDOG_THRESHOLD的值定义为0.0625秒，如果在0.5秒内，clocksource的偏差大于这个值就表示这个clocksource是不稳定的，定时器的回调函数通过clocksource_watchdog_kthread线程标记该clocksource，并把它的rate修改为0，表示精度极差。

4.  建立clocksource的简要过程

在系统的启动阶段，内核注册了一个基于jiffies的clocksource，代码位于kernel/time/jiffies.c：

 

 

  1. struct clocksource clocksource_jiffies = {  
  2. "jiffies",  
  3. /* lowest valid rating*/  
  4.     .read       = jiffies_read,  
  5. /*32bits*/  
  6. /* details above */  
  7.     .shift      = JIFFIES_SHIFT,  
  8. };  
  9. ......  
  10.   
  11. static int __init init_jiffies_clocksource(void)  
  12. {  
  13. return clocksource_register(&clocksource_jiffies);  
  14. }  
  15.   
  16. core_initcall(init_jiffies_clocksource);  

它的精度只有1/HZ秒，rating值为1，如果平台的代码没有提供定制的clocksource_default_clock函数，它将返回该clocksource：

 

 

  1. struct clocksource * __init __weak clocksource_default_clock(void)  
  2. {  
  3. return &clocksource_jiffies;  
  4. }  

然后，在初始化的后段，clocksource的代码会把全局变量curr_clocksource设置为上述的clocksource：

 

  1. static int __init clocksource_done_booting(void)  
  2. {  
  3.         ......  
  4.     curr_clocksource = clocksource_default_clock();  
  5.         ......  
  6.     finished_booting = 1;  
  7.         ......  
  8.     clocksource_select();  
  9.         ......  
  10. return 0;  
  11. }  
  12. fs_initcall(clocksource_done_booting);