一文搞懂 Linux 时间子系统

硬件架构

从硬件架构图中可以看出以下特点：

• 每个 CPU 核都包含各自的 local timer，相互独立。
• 每个 local timer 都支持中断的产生，中断类型为 PPI，即 CPU 的私有中断，GIC 负责分发到指定的 CPU，这些中断都可以用来产生系统事件。local timer的中断为以下四种：

     1.Secure Physical Timer event (ID 29，也就是上面device node中的13，29 = 16 + 13)

     2.Non-secure Physical Timer event (ID 30，也就是上面device node中的14，30 = 16 + 14)

     3.Virtual Timer event (ID 27)

     4.Hypervisor Timer event (ID 26)

• 系统中存在一个 always-powered 的域，这个域提供一个 system counter，所有 core 的定时器都是基于这个 system counter 提供的 counter 值，因此理论上所有的 local timer 都是基于同样的时间基准。
• 为什么要强调 system counter 是 always powered，而且要独立出来，这是因为在系统运行期间某些 core 为了节能可能进入睡眠状态，local timer 可能也会因此被关闭，但是系统的时间戳不能丢，以便在特定的时间唤醒 CPU，而且在唤醒之后还能获得正确的时间。同时，system counter 也支持休眠模式，它的休眠不是关闭，而是降频，通常情况下该 timer 的频率是 1~50MHz，假设是以 10MHz 运行，将其降到 1MHz，那么，system counter 每次运行时 counter 不再是加1，而是加 10，这样就不会丢失时间精度。
• system counter 的实现标准为:

     1.至少 56 bits 的宽度。

     2.频率在 1-50MHz。

     3.溢出时间至少在 40 年。

     4.arm 没有对精度做出特别要求，不过最低的建议值为24小时, 误差不超过 10s。

     5.从 0 开始计数，正常情况下每一个时钟脉冲加1，节能模式下除外。

• system counter 可以被所有 core 访问，通过总线地址映射的方式，而 local timer 由对应的 CPU core 访问，访问方式则是通过操作 CP15 协处理器。

软件架构

1. 最底层是硬件和驱动层，每个cpu core都有自己的cpu local timer，此外SOC内部肯定会有一个用于全局的global counter。
2. 中间层是linux内核层，内核抽象出了时钟源(clocksource), 时钟事件设备(clock_event_device), tick设备(tick_device)用于时间管理。分为左右两部分:

• 右边实现计时功能。linux内核有各种time line, 包括real time clock, monotonic clock, monotonic raw clock等。clocksource提供了一个单调增加的计时器产生tick，为timeline提供时钟源。timekeeper是内核提供时间服务的基础模块，负责选择并维护最优的clocksource。
• 左边实现定时功能。clock event管理可产生event或是触发中断的定时器，(一般而言，每个CPU形成自己的一个小系统，也就要管理自己的clock event。）tick device是基于clock event设备进行工作的，cpu管理自己的调度、进程统计等是基于tick设备的。低精度timer和高精度timer都是基于tick device生成的定时器设备，关于它们的事件和周期信号的关系在上面的图中有一个大体的介绍。

1. 最上层是linux应用层。基于timekeeping设备的是时间管理的库time lib，基于定时器设备的是定时管理的库timer lib。

数据结构

• clocksource：来自系统计时的需求，换句话说系统需要知道现在是xx年xx月xx日xx时xx分xx秒xx纳秒。

local timer 的 clocksource 相关的配置信息：

static struct clocksource clocksource_counter = {
 .name = "arch_sys_counter",
 .rating = 400,
 .read = arch_counter_read,
 .mask = CLOCKSOURCE_MASK(56),
 .flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
};

• clock_event_device：来自系统定时的需求（即 timer）。即从当前时间点开始，到xxx纳秒之后通知我做某些事情。

local timer 的 clock_event_device 相关的配置信息：

static void __arch_timer_setup(unsigned type,
          struct clock_event_device *clk)
{
 clk->features = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT;

 if (type == ARCH_TIMER_TYPE_CP15) {
  if (arch_timer_c3stop)
   clk->features |= CLOCK_EVT_FEAT_C3STOP;
  clk->name = "arch_sys_timer";
  clk->rating = 450;
  clk->cpumask = cpumask_of(smp_processor_id());
  clk->irq = arch_timer_ppi[arch_timer_uses_ppi];
  switch (arch_timer_uses_ppi) {
    ......
  case ARCH_TIMER_PHYS_NONSECURE_PPI:
  case ARCH_TIMER_HYP_PPI:
   clk->set_state_shutdown = arch_timer_shutdown_phys;
   clk->set_state_oneshot_stopped = arch_timer_shutdown_phys;
   clk->set_next_event = arch_timer_set_next_event_phys;
   break;
  default:
   BUG();
  }
}

system counter 的 clock_event_device 相关的配置信息如下所示，充当硬件timer，当CPU进入idle后用来唤醒CPU。

static struct clock_event_device clockevent_sysctr = {
 .name   = "i.MX system counter timer",
 .features  = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT | CLOCK_EVT_FEAT_DYNIRQ,
 .set_state_oneshot = sysctr_set_state_oneshot,
 .set_next_event  = sysctr_set_next_event,
 .set_state_shutdown = sysctr_set_state_shutdown,
 .rating   = 200,
};

• tick_device 是 clock_event_device 的子类。

struct tick_device {
 struct clock_event_device *evtdev;
 enum tick_device_mode mode;
};

tick device的工作模式定义如下：

enum tick_device_mode {
    TICKDEV_MODE_PERIODIC,
    TICKDEV_MODE_ONESHOT,
};

static struct tick_device tick_broadcast_device;

local timer 驱动

system counter 驱动

system counter 驱动

当没有进程调度到该 CPU 上执行的时候，swapper进程会将该 CPU 推入到 idle 状态。当 CPU 睡的时候，有可能会关闭 local timer 硬件。这就会导致 local timer 将无法唤醒 CPU。

为了在 CPU 进入 idle 后还能被唤醒，有两种方案，一种是通过hrtimer的软件方案，还有一种是硬件方案。这里只讲述硬件方案，一般采用 alway-on 的硬件 timer 作为唤醒源，它不属于任何 CPU，使用 SPI 类型的中断来唤醒 CPU，处理软件 timer。