Linux之时钟中断详解
⽬录
时钟中断的产⽣
Linux实现时钟中断的全过程
1.可编程定时/计数器的初始化
2.与时钟中断相关的函数
3．系统调⽤返回函数：
总结
在Linux的0号中断是⼀个定时器中断。在固定的时间间隔都发⽣⼀次中断，也是说每秒发⽣该中断的频率都是固定的。该频率是常量HZ，该值⼀般是在100 ~ 1000之间。该中断的作⽤是为了定时更新系统⽇期和时间，使系统时间不断地得到跳转。另外该中断的中断处理函数除了更新系统时间外，还需要更新本地CPU统计数。指的是调⽤scheduler_tick递减进程的时间⽚，若进程的时间⽚递减到0，进程则被调度出去⽽放弃CPU使⽤权。
时钟中断的产⽣
Linux的OS时钟的物理产⽣原因是可编程定时/计数器产⽣的输出脉冲，这个脉冲送⼊CPU，就可以引发⼀个中断请求信号，我们就把它叫做时钟中断。
“时钟中断”是特别重要的⼀个中断，因为整个操作系统的活动都受到它的激励。系统利⽤时钟中断维持系统时间、促使环境的切换，以保证所有进程共享CPU；利⽤时钟中断进⾏记帐、监督系统⼯作以及确定未来的调度优先级等⼯作。可以说，“时钟中断”是整个操作系统的脉搏。
时钟中断的物理产⽣如图所⽰：
操作系统对可编程定时/计数器进⾏有关初始化，然后定时/计数器就对输⼊脉冲进⾏计数(分频)，产⽣的三个输出脉冲Out0、Out1、Out2各有⽤途，很多接⼝书都介绍了这个问题，我们只看Out0上的输出脉冲，这个脉冲信号接到中断控制器8259A_1的0号管脚，触发⼀个周期性的中断，我们就把这个中断叫做时钟中断，时钟中断的周期，也就是脉冲信号的周期，我们叫做“滴答”或“时标”(tick)。从本质上说，时钟中断只是⼀个周期性的信号，完全是硬件⾏为，该信号触发CPU去执⾏⼀个中断服务程序，但是为了⽅便，我们就把这个服务程序叫做时钟中断。
Linux实现时钟中断的全过程
1.可编程定时/计数器的初始化
IBM PC中使⽤的是8253或8254芯⽚。有关该芯⽚的详细知识我们不再详述，只⼤体介绍以下它的组成和作⽤，如下表5.1所⽰：
表 8253/8254的组成及作⽤
名称端⼝地址⼯作⽅式产⽣的输出脉冲的⽤途
计数器00x40⽅式3时钟中断，也叫系统时钟
计数器10x41⽅式2动态存储器刷新
计数器20x42⽅式3扬声器发声
控制寄存器0x43/⽤于8253的初始化，接收控制字
计数器0的输出就是图中的Out0，它的频率由操作系统的设计者确定，Linux对8253的初始化程序段如下（在/arch/i386/kernel/i8259.c的
init_IRQ（）函数中）：
t_intr_gate(ox20, interrupt[0]);
／*在IDT的第0x20个表项中插⼊⼀个中断门。这个门中的段选择符设置成内核代码段的选择符，偏移域设置成0号中断处理程序的⼊⼝地址。*/
outb_p(0x34,0x43); /* 写计数器0的控制字：⼯作⽅式2*/
outb_p(LATCH & 0xff , 0x40); /* 写计数初值LSB 计数初值低位字节*/
outb(LATCH >> 8 , 0x40); /* 写计数初值MSB 计数初值⾼位字节*/
LATCH（英⽂意思为：锁存器，即其中锁存了计数器0的初值）为计数器0的计数初值，在/include/linux/timex.h中定义如下：
#define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* 图5.3中的输⼊脉冲 */
#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* 计数器0的计数初值 */
CLOCK_TICK_RATE是整个8253的输⼊脉冲，如图5.3中所⽰为1.193180MHz，是近似为1MHz的⽅波信号，8253内部的三个计数器都对这个时钟进⾏计数，进⽽产⽣不同的输出信号，⽤于不同的⽤途。
HZ表⽰计数器0的频率，也就是时钟中断或系统时钟的频率，在/include/asm/param.h中定义如下:
#define HZ 100
2.与时钟中断相关的函数
下⾯我们看时钟中断触发的服务程序，该程序代码⽐较复杂，分布在不同的源⽂件中，主要包括如下函数：
时钟中断程序：timer_interrupt( )；
中断服务通⽤例程do_timer_interrupt();
时钟函数：do_timer( )；
中断安装程序：tup_irq( );
中断返回函数：ret_from_intr( );
(1) timer_interrupt( )
这个函数⼤约每10ms被调⽤⼀次，实际上, timer_interrupt( )函数是⼀个封装例程，它真正做的事情并不多，但是，作为⼀个中断程序，它必须在关中断的情况下执⾏。如果只考虑单处理机的情况，该函数主要语句就是调⽤do_timer_interrupt()函数。
(2) do_timer_interrupt()
do_timer_interrupt()函数有两个主要任务,⼀个是调⽤do_timer( )，另⼀个是维持实时时钟(RTC，每隔⼀定时间段要回写)，其实现代码
在/arch/i386/kernel/time.c中，为了突出主题，笔者对以下函数作了改写，以便于读者理解：
static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
do_timer(regs); /* 调⽤时钟函数，将时钟函数等同于时钟中断未尝不可*/
if(xtime.tv_c > last_rtc_update + 660)
update_RTC();
/
*每隔11分钟就更新RTC中的时间信息，以使OS时钟和RTC时钟保持同步,11分钟即660秒，xtime.tv_c的单位是秒,last_rtc_update记录的是上次RTC更新时的值 */ }
其中，xtime是前⾯所提到的timeval类型，这是⼀个全局变量。
(3) 时钟函数do_timer() (在/kernel/sched.c中)
void do_timer(struct pt_regs * regs)
{
(*(unsigned long *)&jiffies)++; /*更新系统时间，这种写法保证对jiffies
操作的原⼦性*/
update_process_times（）;
++lost_ticks;
if( ! ur_mode ( regs ) )
++lost_ticks_system;
mark_bh(TIMER_BH);
if (tq_timer)
mark_bh(TQUEUE_BH);
}
其中，update_process_times（）函数与进程调度有关，从函数的名⼦可以看出，它处理的是与当前进程与时间有关的变量，例如，要更新当前进程的时间⽚计数器counter，如果counter<=0，则要调⽤调度程序，要处理进程的所有定时器：实时、虚拟、概况，另外还要做⼀些统计⼯作。
与时间有关的事情很多，不能全都让这个函数去完成，这是因为这个函数是在关中断的情况下执⾏，必须处理完最重要的时间信息后退出，以处理其他事情。那么，与时间相关的其他信息谁去处理，何时处理？这就是由第三章讨论的后半部分去去处理。上⾯timer_interrupt()（包括它所调⽤的函数）所做的事情就是上半部分。
在该函数中还有两个变量lost_ticks和lost_ticks_system，这是⽤来记录timer_bh（）执⾏前时钟中断发⽣的次数。因为时钟中断发⽣的频率
很⾼（每10ms⼀次），所以在timer_bh（）执⾏之前，可能已经有时钟中断发⽣了，⽽timer_bh（）要提供定时、记费等重要操作，所以为了保证时间计量的准确性，使⽤了这两个变量。lost_ticks⽤来记录timer_bh（）执⾏前时钟中断发⽣的次数，如果时钟中断发⽣时当前进程运⾏于内核态，则lost_ticks_system⽤来记录timer_bh（）执⾏前在内核态发⽣时钟中断的次数，这样可以对当前进程精确记费。
（4）中断安装程序
从上⾯的介绍可以看出，时钟中断与进程调度密不可分，因此，⼀旦开始有时钟中断就可能要进⾏调度，在系统进⾏初始化时，所做的⼤量⼯作之⼀就是对时钟进⾏初始化，其函数time_init ()的代码在/arch/i386/kernel/time.c中，对其简写如下：
void __init time_init(void)
{
xtime.tv_c=get_cmos_time();
xtime.tv_uc=0;
tup_irq（0，＆irq0）;
}
其中的get_cmos_time()函数就是把当时的实际时间从CMOS时钟芯⽚读⼊变量xtime中，时间精度为秒。⽽tup_irq（0，＆irq0）就是时钟中断安装函数，那么irq0指的是什么呢，它是⼀个结构类型irqaction，其定义及初值如下：
static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, 0, "timer", NULL, NULL};
tup_irq(0, &irq0)的代码在/arch/i386/kernel/irq.c中，其主要功能就是将中断程序连⼊相应的中断请求队列，以等待中断到来时相应的中断程序被执⾏。
struct irqaction {
irq_handler_t handler; //中断处理函数，注册时提供
unsigned long flags; //中断标志，注册时提供
cpumask_t mask; //中断掩码
const char *name; //中断名称
void *dev_id; //设备id，本⽂后⾯部分介绍中断共享时会详细说明这个参数的作⽤
struct irqaction *next; //如果有中断共享，则继续执⾏，
int irq; //中断号，注册时提供
struct proc_dir_entry *dir; //指向IRQn相关的/proc/irq/n⽬录的描述符
};
这个结构体包含了处理⼀种中断所需要的各种信息，它代表了内核接受到特定IRQ之后应该采取的操作。
1.handler：该指针所指向的函数就是在中断服务程序，当中断发⽣时内核便会调⽤这个指针指向的函数。
2.flags：该标志位可以是0，也可以是:
SA_INTERRUPT：表⽰此中断处理程序是⼀个快速中断处理程序，在2.6中默认情况下没有这个标志；设置该标志位，中断处理程序禁⽌任何中断运⾏，没有该标志，仅屏蔽正在运⾏的IRQ线;
SA_SAMPLE_RANDOM：表⽰这个中断对内核池有贡献，在中断时产⽣⼀些随机数;
SA_SHIRQ：此标志位表⽰允许多个中断服务程序共享⼀个中断号，如不设则⼀个程序对应⼀个中断线;
3.mask：在x86上不会⽤到。
4.name：产⽣中断的硬件的名字.
5.dev_id：该标志位主要在共享中断号时使⽤，即你设置flags=SA_SHIRQ时，有多个中断服务程序共享⼀个中断号时，内核就需要知道在⽤完中断程序后该删除那个中断服务程序。不共享时此成员为null。
<：如果flags=SA_SHIRQ，那么这就是指向对列中下⼀个struct irqaction结构体的指针，否则为空。
7.irq：不⽤说这就是中断号了。
到现在为⽌，我们仅仅是把时钟中断程序挂⼊中断请求队列，什么时候执⾏，怎样执⾏，这是⼀个复杂的过程(参见第三章)，为了让读者对时钟中断有⼀个完整的认识，我们忽略中间过程，⽽给出⼀个整体描述。我们将有关函数改写如下，体现时钟中断的⼤意：
do_timer_interrupt( ) ／*这是⼀个伪函数 *／
{
SAVE_ALL ／*保存处理机现场 *／
intr_count += 1; ／* 这段操作不允许被中断 *／
timer_interrupt() ／* 调⽤时钟中断程序 *／
intr_count -= 1;
jmp ret_from_intr /* 中断返回函数 *／
}
其中，jmp ret_from_intr 是⼀段汇编代码，也是⼀个较为复杂的过程，它最终要调⽤jmp ret_from_sys_call，即系统调⽤返回函数，⽽这个函数与进程的调度⼜密切相关，，因此，我们重点分析 jmp ret_from_sys_call。
3．系统调⽤返回函数：
系统调⽤返回函数的源代码在/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
这⼀段汇编代码就是前⾯我们所说的“从系统调⽤返回函数”ret_from_sys_call，它是从中断、异常及系统调⽤返回时的通⽤接⼝。这段代码主体就是ret_from_sys_call函数，其执⾏过程中要调⽤其它⼀些函数(实际上是⼀段代码，不是真正的函数)，在此我们列出相关的⼏个函数：
（1）ret_from_sys_call：主体
（2）reschedule：检测是否需要重新调度
（3）signal_return：处理当前进程接收到的信号
（4）v86_signal_return：处理虚拟86模式下当前进程接收到的信号
（5）RESTORE_ALL：我们把这个函数叫做彻底返回函数，因为执⾏该函数之后，就返回到当前进程的地址空间中去了。
可以看到ret_from_sys_call的主要作⽤有：
检测调度标志need_resched，决定是否要执⾏调度程序；处理当前进程的信号；恢复当前进程的环境使之继续执⾏。
最后我们再次从总体上浏览⼀下时钟中断：
每个时钟滴答，时钟中断得到执⾏。时钟中断执⾏的频率很⾼：100次/秒，时钟中断的主要⼯作是处理和时间有关的所有信息、决定是否执⾏调度程序以及处理下半部分。和时间有关的所有信息包括系统时间、进程的时间⽚、延时、使⽤CPU的时间、各种定时器，进程更新后的时间⽚为进程调度提供依据，然后在时钟中断返回时决定是否要执⾏调度程序。下半部分处理程序是Linux提供的⼀种机制，它使⼀部分⼯作推迟执⾏。时钟中断要绝对保证维持系统时间的准确性，⽽下半部分这种机制的提供不但保证了这种准确性，还⼤幅提⾼了系统性能。
总结
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