Linux之時(shí)鐘中斷詳解

計(jì)數(shù)器0的輸出就是圖中的Out0，它的頻率由操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者確定，Linux對(duì)8253的初始化程序段如下（在/arch/i386/kernel/i8259.c的init_IRQ（）函數(shù)中）：

set_intr_gate(ox20, interrupt[0]); 
 
／*在IDT的第0x20個(gè)表項(xiàng)中插入一個(gè)中斷門(mén)。這個(gè)門(mén)中的段選擇符設(shè)置成內(nèi)核代碼段的選擇符，偏移域設(shè)置成0號(hào)中斷處理程序的入口地址。*/ 
 
outb_p(0x34,0x43);  /* 寫(xiě)計(jì)數(shù)器0的控制字：工作方式2*/ 
 
outb_p(LATCH  0xff , 0x40); /* 寫(xiě)計(jì)數(shù)初值LSB 計(jì)數(shù)初值低位字節(jié)*/ 
 
outb(LATCH >> 8 , 0x40); /* 寫(xiě)計(jì)數(shù)初值MSB 計(jì)數(shù)初值高位字節(jié)*/ 
 
LATCH（英文意思為：鎖存器，即其中鎖存了計(jì)數(shù)器0的初值）為計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)初值，在/include/linux/timex.h中定義如下： 
 
#define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* 圖5.3中的輸入脈沖 */ 
 
#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* 計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)初值 */ 

CLOCK_TICK_RATE是整個(gè)8253的輸入脈沖，如圖5.3中所示為1.193180MHz，是近似為1MHz的方波信號(hào)，8253內(nèi)部的三個(gè)計(jì)數(shù)器都對(duì)這個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)，用于不同的用途。

HZ表示計(jì)數(shù)器0的頻率，也就是時(shí)鐘中斷或系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率，在/include/asm/param.h中定義如下:

#define HZ 100

2.與時(shí)鐘中斷相關(guān)的函數(shù)

下面我們看時(shí)鐘中斷觸發(fā)的服務(wù)程序，該程序代碼比較復(fù)雜，分布在不同的源文件中，主要包括如下函數(shù)：

時(shí)鐘中斷程序：timer_interrupt( )；

中斷服務(wù)通用例程do_timer_interrupt();

時(shí)鐘函數(shù)：do_timer( )；

中斷安裝程序：setup_irq( );

中斷返回函數(shù)：ret_from_intr( );

(1) timer_interrupt( )

這個(gè)函數(shù)大約每10ms被調(diào)用一次，實(shí)際上, timer_interrupt( )函數(shù)是一個(gè)封裝例程,它真正做的事情并不多,但是,作為一個(gè)中斷程序,它必須在關(guān)中斷的情況下執(zhí)行。如果只考慮單處理機(jī)的情況，該函數(shù)主要語(yǔ)句就是調(diào)用do_timer_interrupt()函數(shù)。

(2) do_timer_interrupt()

do_timer_interrupt()函數(shù)有兩個(gè)主要任務(wù),一個(gè)是調(diào)用do_timer( ),另一個(gè)是維持實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC,每隔一定時(shí)間段要回寫(xiě)),其實(shí)現(xiàn)代碼在/arch/i386/kernel/time.c中， 為了突出主題，筆者對(duì)以下函數(shù)作了改寫(xiě)，以便于讀者理解：

static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) 
{ 
 do_timer(regs); /* 調(diào)用時(shí)鐘函數(shù)，將時(shí)鐘函數(shù)等同于時(shí)鐘中斷未嘗不可*/ 
 if(xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660) 
 update_RTC(); 
 /*每隔11分鐘就更新RTC中的時(shí)間信息，以使OS時(shí)鐘和RTC時(shí)鐘保持同步,11分鐘即660秒，xtime.tv_sec的單位是秒,last_rtc_update記錄的是上次RTC更新時(shí)的值 */             
} 

其中，xtime是前面所提到的timeval類(lèi)型，這是一個(gè)全局變量。

(3) 時(shí)鐘函數(shù)do_timer() (在/kernel/sched.c中)

void do_timer(struct pt_regs * regs) 
{ 
 (*(unsigned long *)jiffies)++; /*更新系統(tǒng)時(shí)間，這種寫(xiě)法保證對(duì)jiffies 
 
操作的原子性*/ 
 update_process_times（）; 
 ++lost_ticks; 
 if( ! user_mode ( regs ) ) 
  ++lost_ticks_system; 
  mark_bh(TIMER_BH);    
 if (tq_timer)      
  mark_bh(TQUEUE_BH); 
} 

其中，update_process_times（）函數(shù)與進(jìn)程調(diào)度有關(guān)，從函數(shù)的名子可以看出，它處理的是與當(dāng)前進(jìn)程與時(shí)間有關(guān)的變量，例如，要更新當(dāng)前進(jìn)程的時(shí)間片計(jì)數(shù)器counter，如果counter=0，則要調(diào)用調(diào)度程序，要處理進(jìn)程的所有定時(shí)器：實(shí)時(shí)、虛擬、概況，另外還要做一些統(tǒng)計(jì)工作。

與時(shí)間有關(guān)的事情很多，不能全都讓這個(gè)函數(shù)去完成，這是因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)是在關(guān)中斷的情況下執(zhí)行，必須處理完最重要的時(shí)間信息后退出，以處理其他事情。那么，與時(shí)間相關(guān)的其他信息誰(shuí)去處理，何時(shí)處理？這就是由第三章討論的后半部分去去處理。 上面timer_interrupt()（包括它所調(diào)用的函數(shù)）所做的事情就是上半部分。

在該函數(shù)中還有兩個(gè)變量lost_ticks和lost_ticks_system，這是用來(lái)記錄timer_bh（）執(zhí)行前時(shí)鐘中斷發(fā)生的次數(shù)。因?yàn)闀r(shí)鐘中斷發(fā)生的頻率很高（每10ms一次），所以在timer_bh（）執(zhí)行之前，可能已經(jīng)有時(shí)鐘中斷發(fā)生了，而timer_bh（）要提供定時(shí)、記費(fèi)等重要操作，所以為了保證時(shí)間計(jì)量的準(zhǔn)確性，使用了這兩個(gè)變量。lost_ticks用來(lái)記錄timer_bh（）執(zhí)行前時(shí)鐘中斷發(fā)生的次數(shù)，如果時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，則lost_ticks_system用來(lái)記錄timer_bh（）執(zhí)行前在內(nèi)核態(tài)發(fā)生時(shí)鐘中斷的次數(shù)，這樣可以對(duì)當(dāng)前進(jìn)程精確記費(fèi)。

（4）中斷安裝程序

從上面的介紹可以看出，時(shí)鐘中斷與進(jìn)程調(diào)度密不可分，因此，一旦開(kāi)始有時(shí)鐘中斷就可能要進(jìn)行調(diào)度，在系統(tǒng)進(jìn)行初始化時(shí)，所做的大量工作之一就是對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行初始化，其函數(shù)time_init ()的代碼在/arch/i386/kernel/time.c中，對(duì)其簡(jiǎn)寫(xiě)如下：

 void __init time_init(void) 
 { 
xtime.tv_sec=get_cmos_time(); 
xtime.tv_usec=0; 
setup_irq（0，＆irq0）; 
} 

其中的get_cmos_time()函數(shù)就是把當(dāng)時(shí)的實(shí)際時(shí)間從CMOS時(shí)鐘芯片讀入變量xtime中，時(shí)間精度為秒。而setup_irq（0，＆irq0）就是時(shí)鐘中斷安裝函數(shù)，那么irq0指的是什么呢，它是一個(gè)結(jié)構(gòu)類(lèi)型irqaction，其定義及初值如下：

static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, 0, "timer", NULL, NULL};

setup_irq(0, irq0)的代碼在/arch/i386/kernel/irq.c中，其主要功能就是將中斷程序連入相應(yīng)的中斷請(qǐng)求隊(duì)列，以等待中斷到來(lái)時(shí)相應(yīng)的中斷程序被執(zhí)行。

struct irqaction { 
  irq_handler_t handler;  //中斷處理函數(shù)，注冊(cè)時(shí)提供  
  unsigned long flags;   //中斷標(biāo)志，注冊(cè)時(shí)提供  
  cpumask_t mask;    //中斷掩碼  
  const char *name;   //中斷名稱(chēng) 
  void *dev_id;      //設(shè)備id，本文后面部分介紹中斷共享時(shí)會(huì)詳細(xì)說(shuō)明這個(gè)參數(shù)的作用 
  struct irqaction *next;  //如果有中斷共享，則繼續(xù)執(zhí)行，  
  int irq;        //中斷號(hào)，注冊(cè)時(shí)提供 
  struct proc_dir_entry *dir; //指向IRQn相關(guān)的/proc/irq/n目錄的描述符 
}; 

這個(gè)結(jié)構(gòu)體包含了處理一種中斷所需要的各種信息，它代表了內(nèi)核接受到特定IRQ之后應(yīng)該采取的操作。

1.handler:該指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)就是在中斷服務(wù)程序，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)內(nèi)核便會(huì)調(diào)用這個(gè)指針指向的函數(shù)。

2.flags:該標(biāo)志位可以是0，也可以是:

SA_INTERRUPT:表示此中斷處理程序是一個(gè)快速中斷處理程序，在2.6中默認(rèn)情況下沒(méi)有這個(gè)標(biāo)志;設(shè)置該標(biāo)志位，中斷處理程序禁止任何中斷運(yùn)行，沒(méi)有該標(biāo)志，僅屏蔽正在運(yùn)行的IRQ線;

SA_SAMPLE_RANDOM:表示這個(gè)中斷對(duì)內(nèi)核池有貢獻(xiàn)，在中斷時(shí)產(chǎn)生一些隨機(jī)數(shù);

SA_SHIRQ:此標(biāo)志位表示允許多個(gè)中斷服務(wù)程序共享一個(gè)中斷號(hào)，如不設(shè)則一個(gè)程序?qū)?yīng)一個(gè)中斷線;

3.mask:在x86上不會(huì)用到。

4.name:產(chǎn)生中斷的硬件的名字.

5.dev_id:該標(biāo)志位主要在共享中斷號(hào)時(shí)使用，即你設(shè)置flags=SA_SHIRQ時(shí)，有多個(gè)中斷服務(wù)程序共享一個(gè)中斷號(hào)時(shí)，內(nèi)核就需要知道在用完中斷程序后該刪除那個(gè)中斷服務(wù)程序。不共享時(shí)此成員為null。

6.next:如果flags=SA_SHIRQ，那么這就是指向?qū)α兄邢乱粋€(gè)struct irqaction結(jié)構(gòu)體的指針，否則為空。

7.irq:不用說(shuō)這就是中斷號(hào)了。

到現(xiàn)在為止，我們僅僅是把時(shí)鐘中斷程序掛入中斷請(qǐng)求隊(duì)列，什么時(shí)候執(zhí)行，怎樣執(zhí)行，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程(參見(jiàn)第三章)，為了讓讀者對(duì)時(shí)鐘中斷有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)，我們忽略中間過(guò)程，而給出一個(gè)整體描述。我們將有關(guān)函數(shù)改寫(xiě)如下，體現(xiàn)時(shí)鐘中斷的大意：

do_timer_interrupt( )   ／*這是一個(gè)偽函數(shù) *／ 
{            
 SAVE_ALL     ／*保存處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng) *／ 
 intr_count += 1;    ／* 這段操作不允許被中斷 *／ 
 timer_interrupt()    ／* 調(diào)用時(shí)鐘中斷程序 *／ 
 intr_count -= 1;    
 jmp ret_from_intr    /* 中斷返回函數(shù) *／ 
} 

其中，jmp ret_from_intr 是一段匯編代碼，也是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，它最終要調(diào)用jmp ret_from_sys_call，即系統(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)與進(jìn)程的調(diào)度又密切相關(guān)，，因此，我們重點(diǎn)分析 jmp ret_from_sys_call。

3．系統(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)：

系統(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)的源代碼在/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 

這一段匯編代碼就是前面我們所說(shuō)的“從系統(tǒng)調(diào)用返回函數(shù)”ret_from_sys_call，它是從中斷、異常及系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)的通用接口。這段代碼主體就是ret_from_sys_call函數(shù)，其執(zhí)行過(guò)程中要調(diào)用其它一些函數(shù)(實(shí)際上是一段代碼，不是真正的函數(shù))，在此我們列出相關(guān)的幾個(gè)函數(shù)：

（1）ret_from_sys_call：主體

（2）reschedule：檢測(cè)是否需要重新調(diào)度

（3）signal_return：處理當(dāng)前進(jìn)程接收到的信號(hào)

（4）v86_signal_return：處理虛擬86模式下當(dāng)前進(jìn)程接收到的信號(hào)

（5）RESTORE_ALL：我們把這個(gè)函數(shù)叫做徹底返回函數(shù)，因?yàn)閳?zhí)行該函數(shù)之后，就返回到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間中去了。

可以看到ret_from_sys_call的主要作用有：

檢測(cè)調(diào)度標(biāo)志need_resched，決定是否要執(zhí)行調(diào)度程序；處理當(dāng)前進(jìn)程的信號(hào)；恢復(fù)當(dāng)前進(jìn)程的環(huán)境使之繼續(xù)執(zhí)行。

最后我們?cè)俅螐目傮w上瀏覽一下時(shí)鐘中斷：

每個(gè)時(shí)鐘滴答，時(shí)鐘中斷得到執(zhí)行。時(shí)鐘中斷執(zhí)行的頻率很高：100次/秒，時(shí)鐘中斷的主要工作是處理和時(shí)間有關(guān)的所有信息、決定是否執(zhí)行調(diào)度程序以及處理下半部分。和時(shí)間有關(guān)的所有信息包括系統(tǒng)時(shí)間、進(jìn)程的時(shí)間片、延時(shí)、使用CPU的時(shí)間、各種定時(shí)器，進(jìn)程更新后的時(shí)間片為進(jìn)程調(diào)度提供依據(jù)，然后在時(shí)鐘中斷返回時(shí)決定是否要執(zhí)行調(diào)度程序。下半部分處理程序是Linux提供的一種機(jī)制，它使一部分工作推遲執(zhí)行。時(shí)鐘中斷要絕對(duì)保證維持系統(tǒng)時(shí)間的準(zhǔn)確性，而下半部分這種機(jī)制的提供不但保證了這種準(zhǔn)確性，還大幅提高了系統(tǒng)性能。

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于Linux之時(shí)鐘中斷詳解的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站其他相關(guān)專(zhuān)題，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對(duì)本站的支持！