Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Обработчик прерываний таймера

Теперь, когда мы разобрались, что такое jiffies и HZ, а также какова роль системного таймера, рассмотрим реализацию обработчика прерываний системного таймера. Обработчик прерываний таймера разбит на две части: часть, зависимую от аппаратной платформы, и независимую часть.

Подпрограмма, которая зависит от аппаратной платформы, регистрируется в качестве обработчика прерываний системного таймера и выполняется, когда срабатывает системный таймер. Конкретная работа, конечно, зависит от аппаратной платформы, но большинство обработчиков выполняют следующие действия.

• Захватывается блокировка xtime_lock, которая защищает доступ к переменной jiffies_64 и значению текущего времени— переменной xtime.

• Считывается или сбрасывается состояние системного таймера, если это необходимо.

• Периодически записывается новое значение абсолютного времени в часы реального времени.

• Вызывается аппаратно-независимая подпрограмма таймера do_timer().

Аппаратно-независимая функция do_timer() выполняет значительно больше действий.

• Увеличивается значение переменной jiffies_64 на единицу (это безопасная операция даже для 32-разрядных аппаратных платформ, так как блокировка xtime_lock была захвачена раньше).

• Обновляется статистка использования системных ресурсов, таких как затраченное процессорное время в режиме пользователя и в режиме ядра, для процесса, который в данный момент выполняется.

• Выполняются обработчики динамических таймеров, для которых истек период времени ожидания (это будет рассмотрено в следующем разделе).

• Вызывается функция scheduler_tick(), как было рассмотрено в главе 4.

• Обновляется значение абсолютного времени, которое хранится в переменной xtime.

• Вычисляются значения печально известной средней загруженности системы (load average).

Сама по себе подпрограмма очень проста, так как большинство рассмотренных действий выполняются другими функциями.

void do_timer(struct pt_regs *regs) {

 jiffies_64++;

 update_process_times(user_mode(regs));

 update_times();

}

Макрос user_mode() просматривает состояние регистров процессора, regs, и возвращает значение 1, если прерывание таймера возникло в пространстве пользователя, и значение 0 — если в пространстве ядра. Это позволяет функции update_process_times() учесть, что за время между предыдущим и данным импульсами системного таймера процесс выполнялся в режиме задачи или в режиме ядра.

void update_process_times(int user_tick) {

 struct task_struct *p = current;

 int cpu = smp_processor_id();

 int system = user_tick ^ 1;

 update_one_process(p, user_tick, system, cpu);

 run_local_timers();

 scheduler_tick(user_tick, system);

}

Функция update_process() собственно обновляет значения параметров времени выполнения процесса. Эта функция тщательно продумана. Следует обратить внимание, каким образом с помощью операции исключающее ИЛИ (XOR) достигается, что одна из переменных user_tick и system имеет значение, равное нулю, а другая— единице. Поэтому в функции update_one_process() можно просто прибавить необходимое значение к соответствующим счетчикам без использования оператора ветвления.

/*

* увеличиваем значения соответствующего

* счетчика импульсов таймера на единицу

*/

p->utime += user;

p->stime += system;

Необходимое значение увеличивается на 1, а другое остается без изменений. Легко заметить, что в таком случае предполагается, что за время импульса системного таймера процесс выполнялся в том же режиме, в котором он выполняется во время прихода прерывания. На самом деле процесс мог несколько раз переходить в режим задачи и в режим ядра за последний период системного таймера. Кроме того, текущий процесс может оказаться не единственным процессом, который выполнялся за последний период системного таймера. К сожалению, без применения более сложной системы учета, такой способ является лучшим из всех тех, которые предоставляет ядро. Это также одна из причин увеличения частоты системного таймера.

Далее функция run_local_timers() помечает отложенные прерывания, как готовые к выполнению (см. главу 7, "Обработка нижних половин и отложенные действия"), для выполнения всех таймеров, для которых закончился период времени ожидания. Таймеры будут рассмотрены ниже, в разделе "Таймеры".

Наконец, функция schedule_tick() уменьшает значение кванта времени для текущего выполняющегося процесса и устанавливает флаг need_resched при необходимости. Для SMP-машин в этой функции также при необходимости выполняется балансировка очередей выполнения. Все это обсуждалось в главе 4.

После возврата из функции update_process_times() вызывается функция update_times(), которая обновляет значение абсолютного времени.

void update_times(void) {

 unsigned long ticks;

 ticks = jiffies - wall_jiffies;

 if (ticks) {

  wall_jiffies += ticks;

  update_wall_time(ticks);

 }

 last_time_offset = 0;

 calc_load(ticks);

}

Значение переменной ticks вычисляется как изменение количества импульсов системного таймера с момента последнего обновления абсолютного времени. В нормальной ситуации это значение, конечно, равно 1. В редких случаях прерывание таймера может быть пропущено, и в таком случае говорят, что импульсы таймера потеряны. Это может произойти, если прерывания запрещены в течение длительного времени. Такая ситуация не является нормальной и часто указывает на ошибку программного кода. Значение переменной wall_jiffies увеличивается на значение ticks, поэтому она равна значению переменной jiffies в момент самого последнего обновления абсолютного времени. Далее вызывается функция update_wall_time() для того, чтобы обновить значение переменной xtime, которая содержит значение абсолютного времени. Наконец вызывается функция calc_load() для того, чтобы обновить значение средней загруженности системы, после чего функция update_times() возвращает управление.

Функция do_timer() возвращается в аппаратно-зависимый обработчик прерывания, который выполняет все необходимые завершающие операции, освобождает блокировку xtime_lock и в конце концов возвращает управление.

Всё это происходит каждые 1/HZ секунд, т.е. 1000 раз в секунду на машине типа PC.

Абсолютное время

Текущее значение абсолютного времени (time of day, wall time, время дня) определено в файле kernel/timer.c следующим образом.

struct timespec xtime;

Структура данных timespec определена в файле <linux/time.h> в следующем виде.

struct timespec {

 time_t tv_sec; /* seconds */

 long tv_nsec; /* nanoseconds */

};

Поле xtime.tv_sec содержит количество секунд, которые прошли с 1 января 1970 года (UTC, Universal Coordinated Time, всеобщее скоординированное время). Указанная дата называется epoch (начало эпохи). В большинстве Unix-подобных операционных систем счет времени ведется с начала эпохи. В поле xtime.tv_nsec хранится количество наносекунд, которые прошли в последней секунде.

Чтение или запись переменной xtime требует захвата блокировки xtime_lock. Это блокировка — не обычная спин-блокировка, а секвентная блокировка, которая рассматривается в главе 9, "Средства синхронизации в ядре".

Для обновления значения переменной xtime необходимо захватить секвентную блокировку на запись следующим образом.

write_seqlock(&xtime_lock);

/* обновить значение переменной xtime ... */

write_sequnlock(&xtime_lock);

Считывание значения переменной xtime требует применения функций read_seqbegin() и read_seqretry() следующим образом.

do {

 unsigned long lost;

 seq = read_seqbegin(&xtime_lock);

 usec = timer->get_offset();

 lost = jiffies — wall_jiffies;

 if (lost)

  usec += lost * (1000000 / HZ);

 sec = xtime.tv_sec;

 usec += (xtime.tv_nsec / 1000);

} while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));

Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет гарантии того, что во время считывания данных не было записи. Если во время выполнения цикла приходит прерывание таймера и переменная xtime обновляется во время выполнения цикла, возвращаемый номер последовательности будет неправильным и цикл повторится снова.

Главный пользовательский интерфейс для получения значения абсолютного времени — это системный вызов gettimeofday(), который реализован как функция sys_gettimeofday() следующим образом.

asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval *tv,

 struct timezone *tz) {