clock source用于為linux內(nèi)核提供一個(gè)時(shí)間基線，如果你用linux的date命令獲取當(dāng)前時(shí)間，內(nèi)核會(huì)讀取當(dāng)前的clock source，轉(zhuǎn)換并返回合適的時(shí)間單位給用戶空間。在硬件層，它通常實(shí)現(xiàn)為一個(gè)由固定時(shí)鐘頻率驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器只能單調(diào)地增加，直到溢出為止。時(shí)鐘源是內(nèi)核計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)核通過硬件RTC獲得當(dāng)前時(shí)間，在這以后，在大多數(shù)情況下，內(nèi)核通過選定的時(shí)鐘源更新實(shí)時(shí)時(shí)間信息（墻上時(shí)間），而不再讀取RTC的時(shí)間。本節(jié)的內(nèi)核代碼樹基于V3.4.10。

1. ?struct clocksource結(jié)構(gòu)

內(nèi)核用一個(gè)clocksource結(jié)構(gòu)對(duì)真實(shí)的時(shí)鐘源進(jìn)行軟件抽象，現(xiàn)在我們從clock source的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開始，它的定義如下：

[cpp]?view plain?copy

struct?clocksource?{??

/*?

*?Hotpath?data,?fits?in?a?single?cache?line?when?the?

*?clocksource?itself?is?cacheline?aligned.?

*/??

cycle_t?(*read)(struct?clocksource?*cs);??

cycle_t?cycle_last;??

cycle_t?mask;??

u32?mult;??

u32?shift;??

u64?max_idle_ns;??

u32?maxadj;??

#ifdef?CONFIG_ARCH_CLOCKSOURCE_DATA??

struct?arch_clocksource_data?archdata;??

#endif??

const?char?*name;??

struct?list_head?list;??

int?rating;??

int?(*enable)(struct?clocksource?*cs);??

void?(*disable)(struct?clocksource?*cs);??

unsigned?long?flags;??

void?(*suspend)(struct?clocksource?*cs);??

void?(*resume)(struct?clocksource?*cs);??

/*?private:?*/??

#ifdef?CONFIG_CLOCKSOURCE_WATCHDOG??

/*?Watchdog?related?data,?used?by?the?framework?*/??

struct?list_head?wd_list;??

cycle_t?cs_last;??

cycle_t?wd_last;??

#endif??

}?____cacheline_aligned;??

我們只關(guān)注clocksource中的幾個(gè)重要的字段。

1.1 ?rating：時(shí)鐘源的精度

同一個(gè)設(shè)備下，可以有多個(gè)時(shí)鐘源，每個(gè)時(shí)鐘源的精度由驅(qū)動(dòng)它的時(shí)鐘頻率決定，比如一個(gè)由10MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘源，他的精度就是100nS。clocksource結(jié)構(gòu)中有一個(gè)rating字段，代表著該時(shí)鐘源的精度范圍，它的取值范圍如下：

1--99： 不適合于用作實(shí)際的時(shí)鐘源，只用于啟動(dòng)過程或用于測(cè)試；

100--199：基本可用，可用作真實(shí)的時(shí)鐘源，但不推薦；

200--299：精度較好，可用作真實(shí)的時(shí)鐘源；

300--399：很好，精確的時(shí)鐘源；

400--499：理想的時(shí)鐘源，如有可能就必須選擇它作為時(shí)鐘源；

1.2 ?read回調(diào)函數(shù)

時(shí)鐘源本身不會(huì)產(chǎn)生中斷，要獲得時(shí)鐘源的當(dāng)前計(jì)數(shù)，只能通過主動(dòng)調(diào)用它的read回調(diào)函數(shù)來獲得當(dāng)前的計(jì)數(shù)值，注意這里只能獲得計(jì)數(shù)值，也就是所謂的cycle，要獲得相應(yīng)的時(shí)間，必須要借助clocksource的mult和shift字段進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。

1.3 ?mult和shift字段

因?yàn)閺腸locksource中讀到的值是一個(gè)cycle計(jì)數(shù)值，要轉(zhuǎn)換為時(shí)間，我們必須要知道驅(qū)動(dòng)clocksource的時(shí)鐘頻率F，一個(gè)簡單的計(jì)算就可以完成：

t = cycle/F;

可是clocksource并沒有保存時(shí)鐘的頻率F，因?yàn)槭褂蒙厦娴墓竭M(jìn)行計(jì)算，需要使用浮點(diǎn)運(yùn)算，這在內(nèi)核中是不允許的，因此，內(nèi)核使用了另外一個(gè)變通的辦法，根據(jù)時(shí)鐘的頻率和期望的精度，事先計(jì)算出兩個(gè)輔助常數(shù)mult和shift，然后使用以下公式進(jìn)行cycle和t的轉(zhuǎn)換：

t = (cycle * mult) >> shift;

只要我們保證：

F = (1 << shift) / mult;

內(nèi)核內(nèi)部使用64位進(jìn)行該轉(zhuǎn)換計(jì)算：

[cpp]?view plain?copy

static?inline?s64?clocksource_cyc2ns(cycle_t?cycles,?u32?mult,?u32?shift)??

{??

return?((u64)?cycles?*?mult)?>>?shift;??

}??

從轉(zhuǎn)換精度考慮，mult的值是越大越好，但是為了計(jì)算過程不發(fā)生溢出，mult的值又不能取得過大。為此內(nèi)核假設(shè)cycle計(jì)數(shù)值被轉(zhuǎn)換后的最大時(shí)間值：10分鐘（600秒），主要的考慮是CPU進(jìn)入IDLE狀態(tài)后，時(shí)間信息不會(huì)被更新，只要在10分鐘內(nèi)退出IDLE，clocksource的cycle計(jì)數(shù)值就可以被正確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時(shí)間，然后系統(tǒng)的時(shí)間信息可以被正確地更新。當(dāng)然最后的結(jié)果不一定是10分鐘，它由clocksource_max_deferment進(jìn)行計(jì)算，并保存max_idle_ns字段中，tickless的代碼要考慮這個(gè)值，以防止在NO_HZ配置環(huán)境下，系統(tǒng)保持IDLE狀態(tài)的時(shí)間過長。在這樣，由10分鐘這個(gè)假設(shè)的時(shí)間值，我們可以推算出合適的mult和shift值。

2. ?clocksource的注冊(cè)和初始化

通常，clocksource要在初始化階段通過clocksource_register_hz函數(shù)通知內(nèi)核它的工作時(shí)鐘的頻率，調(diào)用的過程如下：

由上圖可見，最終大部分工作會(huì)轉(zhuǎn)由__clocksource_register_scale完成，該函數(shù)首先完成對(duì)mult和shift值的計(jì)算，然后根據(jù)mult和shift值，最終通過clocksource_max_deferment獲得該clocksource可接受的最大IDLE時(shí)間，并記錄在clocksource的max_idle_ns字段中。clocksource_enqueue函數(shù)負(fù)責(zé)按clocksource的rating的大小，把該clocksource按順序掛在全局鏈表clocksource_list上，rating值越大，在鏈表上的位置越靠前。

每次新的clocksource注冊(cè)進(jìn)來，都會(huì)觸發(fā)clocksource_select函數(shù)被調(diào)用，它按照rating值選擇最好的clocksource，并記錄在全局變量curr_clocksource中，然后通過timekeeping_notify函數(shù)通知timekeeping，當(dāng)前clocksource已經(jīng)變更，關(guān)于timekeeping，我將會(huì)在后續(xù)的博文中闡述。

3. ?clocksource watchdog

系統(tǒng)中可能同時(shí)會(huì)注冊(cè)對(duì)個(gè)clocksource，各個(gè)clocksource的精度和穩(wěn)定性各不相同，為了篩選這些注冊(cè)的clocksource，內(nèi)核啟用了一個(gè)定時(shí)器用于監(jiān)控這些clocksource的性能，定時(shí)器的周期設(shè)為0.5秒：

[cpp]?view plain?copy

#define?WATCHDOG_INTERVAL?(HZ?>>?1)??

#define?WATCHDOG_THRESHOLD?(NSEC_PER_SEC?>>?4)??

當(dāng)有新的clocksource被注冊(cè)時(shí)，除了會(huì)掛在全局鏈表clocksource_list外，還會(huì)同時(shí)掛在一個(gè)watchdog鏈表上：watchdog_list。定時(shí)器周期性地（0.5秒）檢查watchdog_list上的clocksource，WATCHDOG_THRESHOLD的值定義為0.0625秒，如果在0.5秒內(nèi)，clocksource的偏差大于這個(gè)值就表示這個(gè)clocksource是不穩(wěn)定的，定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)通過clocksource_watchdog_kthread線程標(biāo)記該clocksource，并把它的rate修改為0，表示精度極差。

4. ?建立clocksource的簡要過程

在系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，內(nèi)核注冊(cè)了一個(gè)基于jiffies的clocksource，代碼位于kernel/time/jiffies.c：

[cpp]?view plain?copy

struct?clocksource?clocksource_jiffies?=?{??

.name???????=?"jiffies",??

.rating?????=?1,?/*?lowest?valid?rating*/??

.read???????=?jiffies_read,??

.mask???????=?0xffffffff,?/*32bits*/??

.mult???????=?NSEC_PER_JIFFY?<

.shift??????=?JIFFIES_SHIFT,??

};??

......??

static?int?__init?init_jiffies_clocksource(void)??

{??

return?clocksource_register(&clocksource_jiffies);??

}??

core_initcall(init_jiffies_clocksource);??

它的精度只有1/HZ秒，rating值為1，如果平臺(tái)的代碼沒有提供定制的clocksource_default_clock函數(shù)，它將返回該clocksource：

[cpp]?view plain?copy

struct?clocksource?*?__init?__weak?clocksource_default_clock(void)??

{??

return?&clocksource_jiffies;??

}??

然后，在初始化的后段，clocksource的代碼會(huì)把全局變量curr_clocksource設(shè)置為上述的clocksource：

[cpp]?view plain?copy

static?int?__init?clocksource_done_booting(void)??

{??

......??

curr_clocksource?=?clocksource_default_clock();??

......??

finished_booting?=?1;??

......??

clocksource_select();??

......??

return?0;??

}??

fs_initcall(clocksource_done_booting);??

當(dāng)然，如果平臺(tái)級(jí)的代碼在初始化時(shí)也會(huì)注冊(cè)真正的硬件clocksource，所以經(jīng)過clocksource_select()函數(shù)后，curr_clocksource將會(huì)被設(shè)為最合適的clocksource。如果clocksource_select函數(shù)認(rèn)為需要切換更好的時(shí)鐘源，它會(huì)通過timekeeping_notify通知timekeeping系統(tǒng)，使用新的clocksource進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)和更新操作。

?