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作者簡介：
順剛(網(wǎng)名:沐多)，一線碼農(nóng)，從事工控行業(yè)，目前在一家工業(yè)自動化公司從事工業(yè)實時現(xiàn)場總線開發(fā)工作，喜歡鉆研Linux內(nèi)核及xenomai，個人博客 wsg1100，歡迎大家關(guān)注！
clock可以說是操作系統(tǒng)正常運行的發(fā)動機，整個操作系統(tǒng)的活動都受到它的激勵。系統(tǒng)利用時鐘中斷維持系統(tǒng)時間、促使任務(wù)調(diào)度，以保證所有進(jìn)程共享CPU資源；可以說，“時鐘中斷”是整個操作系統(tǒng)的脈搏。
那你是否好奇xenomai cobalt內(nèi)核和Linux內(nèi)核雙內(nèi)核共存的情況下，時間子系統(tǒng)是如何工作的？一個硬件時鐘如何為兩個操作系統(tǒng)內(nèi)核提供服務(wù)的？本文將揭開xenomai雙核系統(tǒng)下clock機制的面紗。
首先回看一下之前的文章xenomai內(nèi)核解析之xenomai的組成結(jié)構(gòu)。
我們說到：在內(nèi)核空間，在標(biāo)準(zhǔn)linux基礎(chǔ)上添加一個實時內(nèi)核Cobalt，得益于基于ADEOS（Adaptive Domain Environment for Operating System），使Cobalt內(nèi)核在內(nèi)核空間與linux內(nèi)核并存，并把標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核作為實時內(nèi)核中的一個idle進(jìn)程在實時內(nèi)核上調(diào)度。
“并把標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核作為實時內(nèi)核中的一個idle進(jìn)程在實時內(nèi)核上調(diào)度“，這句話是本文的重點，接下我們先從Linux時間子系統(tǒng)介紹。
中間部分為個人分析代碼簡單記錄，比較啰嗦，如果你只是想知道xenomai時鐘子系統(tǒng)與linux時鐘子系統(tǒng)之間的關(guān)系可直接到2.6 xenomai內(nèi)核下Linux時鐘工作流程查看總結(jié)。
一、linux時間子系統(tǒng)
linux時間子系統(tǒng)是一個很大的板塊，控制著linux的方方面面。這里只說雙核相關(guān)的部分。即側(cè)重于Linux與底層硬件交互這一塊。
關(guān)于Linux時間子系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容，請移步蝸窩科技關(guān)系Linux 時間子系統(tǒng)專欄。文章中Linux時間子系統(tǒng)大部分內(nèi)容來自于此，在此謝過~
Linux時間子系統(tǒng)框架大致如下：
1.1 tick device
處理器采用時鐘定時器來周期性地提供系統(tǒng)脈搏。時鐘中斷是普通外設(shè)中斷的一種。調(diào)度器利用時鐘中斷來定時檢測當(dāng)前正在運行的線程是否需要調(diào)度。提供時鐘中斷的設(shè)備就是tick device。
如今在多核架構(gòu)下，每個CPU形成了自己的一個小系統(tǒng)，有自己的調(diào)度、自己的進(jìn)程統(tǒng)計等，這個小系統(tǒng)擁有自己的tick device，而且每個CPU上tick device是唯一的，tick device可以工作在periodic mode或者one shot mode，這是和系統(tǒng)配置有關(guān)(由于中斷的處理會影響實時性，一般將xenomai所在CPU的tick device配置工作在one shot mode模式)。因此，整個系統(tǒng)中，在tick device layer，有多少個cpu，就會有多少個tick device，稱為local tick device。當(dāng)然，有些事情（例如整個系統(tǒng)的負(fù)荷計算）不適合在local tick驅(qū)動下進(jìn)行，因此，所有的local tick device中會有一個被選擇做global tick device，該device負(fù)責(zé)維護整個系統(tǒng)的jiffies，更新wall clock，計算全局負(fù)荷什么的。
tick_device 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
?
/*tick device可以工作在兩種模式下，一種是周期性tick模式，另外一種是one shot模式。*/
enum?tick_device_mode?{
????TICKDEV_MODE_PERIODIC,
????TICKDEV_MODE_ONESHOT,/*one?shot模式主要和tickless系統(tǒng)以及高精度timer有關(guān)*/
};
struct?tick_device?{
????struct?clock_event_device?*evtdev;
????enum?tick_device_mode?mode;
};
?
1.2 clock event和clock source
tick device依賴于底層硬件產(chǎn)生定時事件來推動運行，這些產(chǎn)生定時事件的硬件是timer，除此之外還需要一個在指定輸入頻率的clock下工作的一個counter來提供計時。對形形色色的timer和counter硬件，linux kernel抽象出了通用clock event layer和通用clock source模塊，這兩個模塊和硬件無關(guān)。所謂clock source是用來抽象一個在指定輸入頻率的clock下工作的一個counter。clock event提供的是一定周期的event，如果應(yīng)用程序需要讀取當(dāng)前的時間，比如ns精度時，就需要通過timekeeping從clock source中獲取與上個tick之間的時間后返回此時時間。
底層的clock source chip驅(qū)動通過調(diào)用通用clock event和clock source模塊的接口函數(shù)，注冊clock source和clock event設(shè)備。
?
int?clocksource_register(struct?clocksource?*cs)? void?clockevents_register_device(struct?clock_event_device?*dev)
?
1.3 clock event 設(shè)備注冊
每個CPU上tick device是唯一的，但為Tick device提供tick event的timer硬件并不唯一，如上圖中有Lapic-timer、lapic-deadline、Hpet等，有多少個timer硬件就注冊多少個clock event device，各個cpu的tick device會選擇自己適合的那個clock event設(shè)備。
clock_event_devic結(jié)構(gòu)如下：
?
struct?clock_event_device?{
????void????????????(*event_handler)(struct?clock_event_device?*);
????int?????????(*set_next_event)(unsigned?long?evt,?struct?clock_event_device?*);
????int?????????(*set_next_ktime)(ktime_t?expires,?struct?clock_event_device?*);
????ktime_t?????????next_event;
????u64?????????max_delta_ns;
????u64?????????min_delta_ns;
????u32?????????mult;
????u32?????????shift;
????enum?clock_event_state??state_use_accessors;
????unsigned?int????????features;
????unsigned?long???????retries;
????int?????????(*set_state_periodic)(struct?clock_event_device?*);
????int?????????(*set_state_oneshot)(struct?clock_event_device?*);
????int?????????(*set_state_oneshot_stopped)(struct?clock_event_device?*);
????int?????????(*set_state_shutdown)(struct?clock_event_device?*);
????int?????????(*tick_resume)(struct?clock_event_device?*);
????void????????????(*broadcast)(const?struct?cpumask?*mask);
????void????????????(*suspend)(struct?clock_event_device?*);
????void????????????(*resume)(struct?clock_event_device?*);
????unsigned?long???????min_delta_ticks;
????unsigned?long???????max_delta_ticks;
????const?char??????*name;
????int?????????rating;
????int?????????irq;
????int?????????bound_on;
????const?struct?cpumask????*cpumask;
????struct?list_head????list;
????......
}?____cacheline_aligned;
?
簡要說下各成員變量的含義：
event_handler產(chǎn)生了clock event的時候調(diào)用的handler，硬件timer中斷到來的時候調(diào)用該timer中斷handler，而在這個中斷handler中再調(diào)用event_handler。
set_next_event設(shè)定產(chǎn)生下一個event。一般是clock的counter的cycle數(shù)值,一般的timer硬件都是用cycle值設(shè)定會比較方便，當(dāng)然，不排除有些奇葩可以直接使用ktime（秒、納秒），這時候clock event device的features成員要打上CLOCK_EVT_FEAT_KTIME的標(biāo)記使用set_next_ktime()函數(shù)設(shè)置。
set_state_periodic、set_state_oneshot、set_state_shutdown設(shè)置各個模式的配置函數(shù)。
broadcast上面說到每個cpu有一個tcik device外還需要一個全局的clock event，為各CPU提供喚醒等功能。
rating該clock evnet的精度等級，在選做tick device時做參考。
irq 該clock event對應(yīng)的系統(tǒng)中斷號。
?
void?clockevents_register_device(struct?clock_event_device?*dev)
{
????unsigned?long?flags;
????......
????if?(!dev->cpumask)?{
????????WARN_ON(num_possible_cpus()?>?1);
????????dev->cpumask?=?cpumask_of(smp_processor_id());
????}
????list_add(&dev->list,?&clockevent_devices);/*加入clock?event設(shè)備全局列表?*/
????tick_check_new_device(dev);/*讓上層軟件知道底層又注冊一個新的clock?device，當(dāng)然，是否上層軟件要使用這個新的clock?event?device是上層軟件的事情*/
????clockevents_notify_released();
????......
}
?
clock event device的cpumask指明該設(shè)備為哪一個CPU工作，如果沒有設(shè)定并且cpu的個數(shù)大于1的時候要給出warning信息并進(jìn)行設(shè)定（設(shè)定為當(dāng)前運行該代碼的那個CPU core）。在multi core的環(huán)境下，底層driver在調(diào)用該接口函數(shù)注冊clock event設(shè)備之前就需要設(shè)定cpumask成員，畢竟一個timer硬件附著在哪一個cpu上底層硬件最清楚。這里只是對未做設(shè)定的的設(shè)定為當(dāng)前CPU。
將新注冊的clockevent device添加到全局鏈表clockevent_devices，然后調(diào)用tick_check_new_device()讓上層軟件知道底層又注冊一個新的clock device，當(dāng)然，是否上層軟件會通過一系列判斷后來決定是否使用這個clock event作為tick device。如果被選作tick device 會為該clock event設(shè)置回調(diào)函數(shù)event_handler，如上圖所示：event_handler不同的模式會被設(shè)置為tick_handle_periodic()、hrtimer_interrupt()或tick_nohz_handler()。代碼詳細(xì)解析，后面會簡要說明；
對應(yīng)x86平臺，clock event device有APIC-timer、hept,hept的rating沒有l(wèi)apic timer高。所以每個CPU上的loacl-apic timer作為該CPU的tick device。
?
//archx86kernelhpet.c
static?struct?clock_event_device?lapic_clockevent?=?{
????.name???????????????=?"lapic",
????.features???????????=?CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC?|
??????????????????????CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT?|?CLOCK_EVT_FEAT_C3STOP
??????????????????????|?CLOCK_EVT_FEAT_DUMMY,
????.shift??????????????=?32,
????.set_state_shutdown?????=?lapic_timer_shutdown,
????.set_state_periodic?????=?lapic_timer_set_periodic,
????.set_state_oneshot??????=?lapic_timer_set_oneshot,
????.set_state_oneshot_stopped??=?lapic_timer_shutdown,
????.set_next_event?????????=?lapic_next_event,
????.broadcast??????????=?lapic_timer_broadcast,
????.rating?????????????=?100,
????.irq????????????????=?-1,
};
//archx86kernelapicapic.c
static?struct?clock_event_device?hpet_clockevent?=?{
????.name???????????=?"hpet",
????.features???????=?CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC?|
??????????????????CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,
????.set_state_periodic?=?hpet_legacy_set_periodic,
????.set_state_oneshot??=?hpet_legacy_set_oneshot,
????.set_state_shutdown?=?hpet_legacy_shutdown,
????.tick_resume????????=?hpet_legacy_resume,
????.set_next_event?????=?hpet_legacy_next_event,
????.irq????????????=?0,
????.rating?????????=?50,
};
?
apic的中斷函數(shù)smp_apic_timer_interrupt(),然后調(diào)用local_apic_timer_interrupt()：
?
__visible?void?__irq_entry?smp_apic_timer_interrupt(struct?pt_regs?*regs)
{
????struct?pt_regs?*old_regs?=?set_irq_regs(regs);
????/*
?????*?NOTE!?We'd?better?ACK?the?irq?immediately,
?????*?because?timer?handling?can?be?slow.
?????*
?????*?update_process_times()?expects?us?to?have?done?irq_enter().
?????*?Besides,?if?we?don't?timer?interrupts?ignore?the?global
?????*?interrupt?lock,?which?is?the?WrongThing?(tm)?to?do.
?????*/
????entering_ack_irq();
????trace_local_timer_entry(LOCAL_TIMER_VECTOR);
????local_apic_timer_interrupt();???????/*執(zhí)行handle*/
????trace_local_timer_exit(LOCAL_TIMER_VECTOR);
????exiting_irq();
????set_irq_regs(old_regs);
}
static?void?local_apic_timer_interrupt(void)
{
????struct?clock_event_device?*evt?=?this_cpu_ptr(&lapic_events);
????if?(!evt->event_handler)?{
????????pr_warning("Spurious?LAPIC?timer?interrupt?on?cpu?%d
",
???????????????smp_processor_id());
????????/*?Switch?it?off?*/
????????lapic_timer_shutdown(evt);
????????return;
????}
????inc_irq_stat(apic_timer_irqs);
????evt->event_handler(evt);/*執(zhí)行event_handler*/
}
?
local_apic_timer_interrupt()先獲得產(chǎn)生該中斷的clock_event_device，然后執(zhí)行event_handler()。
1.4 clock source設(shè)備注冊
linux 中clock source主要與timekeeping模塊關(guān)聯(lián)，這里不細(xì)說，查看系統(tǒng)中的可用的clock source：
?
$cat?/sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource tsc?hpet?acpi_pm
?
查看系統(tǒng)中當(dāng)前使用的clock source的信息：
?
$?cat?/sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource tsc
?
這里主要說一下與xenomai相關(guān)的clock source 設(shè)備TSC(Time Stamp Counter)，x86處理器提供的TSC是一個高分辨率計數(shù)器，以恒定速率運行（在較舊的處理器上，TSC計算內(nèi)部處理器的時鐘周期，這意味著當(dāng)處理器的頻率縮放比例改變時，TSC的頻率也會改變，現(xiàn)今的TSC在處理器的所有操作狀態(tài)下均以恒定的速率運行，其頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了處理器的頻率），可以用單指令RDTSC讀取。
?
struct?clocksource?clocksource_tsc?=?{
????.name???????????????????=?"tsc",
????.rating?????????????????=?300,
????.read???????????????????=?read_tsc,
????.mask???????????????????=?CLOCKSOURCE_MASK(64),
????.flags??????????????????=?CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS?|
??????????????????CLOCK_SOURCE_MUST_VERIFY,
????.archdata???????????????=?{?.vclock_mode?=?VCLOCK_TSC?},
????.resume?????????=?tsc_resume,
????.mark_unstable??????=?tsc_cs_mark_unstable,
????.tick_stable????????=?tsc_cs_tick_stable,
};
?
tsc在init_tsc_clocksource()中調(diào)用int clocksource_register(struct clocksource *cs)注冊，流程如下：
1.調(diào)用__clocksource_update_freq_scale(cs, scale, freq)，根據(jù)tsc頻率計算mult和shift，具體計算流程文章實時內(nèi)核與linux內(nèi)核時鐘漂移過大原因.docx已分析過。
2.調(diào)用clocksource_enqueue(cs)根據(jù)clock source按照rating的順序插入到全局鏈表clock source list中
3.選擇一個合適的clock source。kernel當(dāng)然是選用一個rating最高的clocksource作為當(dāng)前的正在使用的那個clock source。每當(dāng)注冊一個新的clock source的時候調(diào)用clocksource_select進(jìn)行選擇，畢竟有可能注冊了一個精度更高的clock source。X86系統(tǒng)中tsc rating最高，為300。
到此clock source注冊就注冊完了。
1.5 時間子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流
上面說到tick device的幾種模式，下面結(jié)合整個系統(tǒng)模式說明。高精度的timer需要高精度的clock event，工作在one shot mode的tick device工提供高精度的clock event(clockeventHandler中處理高精度timer)。因此，基于one shot mode下的tick device，系統(tǒng)實現(xiàn)了高精度timer，系統(tǒng)的各個模塊可以使用高精度timer的接口來完成定時服務(wù)。
雖然有了高精度timer的出現(xiàn), 內(nèi)核并沒有拋棄老的低精度timer機制(內(nèi)核開發(fā)人員試圖整合高精度timer和低精度的timer，不過失敗了，所以目前內(nèi)核中，兩種timer是同時存在的)。當(dāng)系統(tǒng)處于高精度timer的時候（tick device處于one shot mode），系統(tǒng)會setup一個特別的高精度timer（可以稱之sched timer），該高精度timer會周期性的觸發(fā)，從而模擬的傳統(tǒng)的periodic tick，從而推動了傳統(tǒng)低精度timer的運轉(zhuǎn)。因此，一些傳統(tǒng)的內(nèi)核模塊仍然可以調(diào)用經(jīng)典的低精度timer模塊的接口。系統(tǒng)可根據(jù)需要配置為以下幾種模式，具體配置見其他文檔：
1、使用低精度timer + 周期tick
根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的配置情況（周期性tick），會調(diào)用tick_setup_periodic函數(shù)，這時候，該tick device對應(yīng)的clock event device的clock event handler被設(shè)置為tick_handle_periodic。底層硬件會周期性的產(chǎn)生中斷，從而會周期性的調(diào)用tick_handle_periodic從而驅(qū)動整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。
這時候高精度timer模塊是運行在低精度的模式，也就是說這些hrtimer雖然是按照高精度timer的紅黑樹進(jìn)行組織，但是系統(tǒng)只是在每一周期性tick到來的時候調(diào)用hrtimer_run_queues函數(shù)，來檢查是否有expire的hrtimer。毫無疑問，這里的高精度timer也就是沒有意義了。
2、低精度timer + Dynamic Tick
系統(tǒng)開始的時候并不是直接進(jìn)入Dynamic tick mode的，而是經(jīng)歷一個切換過程。開始的時候，系統(tǒng)運行在周期tick的模式下，各個cpu對應(yīng)的tick device的（clock event device的）event handler是tick_handle_periodic。在timer的軟中斷上下文中，會調(diào)用tick_check_oneshot_change進(jìn)行是否切換到one shot模式的檢查，如果系統(tǒng)中有支持one-shot的clock event device，并且沒有配置高精度timer的話，那么就會發(fā)生tick mode的切換（調(diào)用tick_nohz_switch_to_nohz），這時候，tick device會切換到one shot模式，而event handler被設(shè)置為tick_nohz_handler。由于這時候的clock event device工作在one shot模式，因此當(dāng)系統(tǒng)正常運行的時候，在event handler中每次都要reprogram clock event，以便正常產(chǎn)生tick。當(dāng)cpu運行idle進(jìn)程的時候，clock event device不再reprogram產(chǎn)生下次的tick信號，這樣，整個系統(tǒng)的周期性的tick就停下來。
高精度timer和低精度timer的工作原理同上。
3、高精度timer + Dynamic Tick
同樣的，系統(tǒng)開始的時候并不是直接進(jìn)入Dynamic tick mode的，而是經(jīng)歷一個切換過程。系統(tǒng)開始的時候是運行在周期tick的模式下，event handler是tick_handle_periodic。在周期tick的軟中斷上下文中（參考run_timer_softirq），如果滿足條件，會調(diào)用hrtimer_switch_to_hres將hrtimer從低精度模式切換到高精度模式上。這時候，系統(tǒng)會有下面的動作：
(1)Tick device的clock event設(shè)備切換到oneshot mode（參考tick_init_highres函數(shù)）
(2)Tick device的clock event設(shè)備的event handler會更新為hrtimer_interrupt（參考tick_init_highres函數(shù)）
(3)設(shè)定sched timer（即模擬周期tick那個高精度timer，參考tick_setup_sched_timer函數(shù)）這樣，當(dāng)下一次tick到來的時候，系統(tǒng)會調(diào)用hrtimer_interrupt來處理這個tick（該tick是通過sched timer產(chǎn)生的）。
在Dynamic tick的模式下，各個cpu的tick device工作在one shot模式，該tick device對應(yīng)的clock event設(shè)備也工作在one shot的模式，這時候，硬件Timer的中斷不會周期性的產(chǎn)生，但是linux kernel中很多的模塊是依賴于周期性的tick的，因此，在這種情況下，系統(tǒng)使用hrtime模擬了一個周期性的tick。在切換到dynamic tick模式的時候會初始化這個高精度timer，該高精度timer的回調(diào)函數(shù)是tick_sched_timer。這個函數(shù)執(zhí)行的函數(shù)類似周期性tick中event handler執(zhí)行的內(nèi)容。不過在最后會reprogram該高精度timer，以便可以周期性的產(chǎn)生clock event。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入idle的時候，就會stop這個高精度timer，這樣，當(dāng)沒有用戶事件的時候，CPU可以持續(xù)在idle狀態(tài)，從而減少功耗。
4、高精度timer + 周期性Tick
這種配置不多見，多半是由于硬件無法支持one shot的clock event device，這種情況下，整個系統(tǒng)仍然是運行在周期tick的模式下。
總結(jié)一下：linux啟動過程中初始化時鐘系統(tǒng)，當(dāng)xenomai內(nèi)核未啟動時，linux直接對底層硬件lapic-timer編程，底層硬件lapic-timer產(chǎn)生中斷推動整個Linux中的各個時鐘及調(diào)度運行。
我們可以將Linux抽出如下圖，只需要為Linux提供設(shè)置下一個時鐘事件set_next_event()和提供event觸發(fā)eventHandler()執(zhí)行兩個接口就能推動整個linux時間子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，下面解析Xenomai是怎樣為linux提供這兩個接口的,達(dá)到控制整個時鐘系統(tǒng)的。
二、xenomai時間子系統(tǒng)
2.1 xnclock
我們知道x86下每個cpu核有一個lapic，lapic中有定時硬件lapic-timer和hpet。tsc作為timeline，提供計時，lapic-timer用來產(chǎn)生clock event。對于現(xiàn)今X86 CPU 操作系統(tǒng)一般都是使用TSC和lapic-timer作為clock source和clock event，因為精度最高(Atom 系列處理器可能會有區(qū)別).
xenomai的默認(rèn)時間管理對象是xnclock，xnclock管理著xenomai整個系統(tǒng)的時間、任務(wù)定時、調(diào)度等，xnclok的默認(rèn)時鐘源為TSC。當(dāng)然我們可以自定義clocksource。比如在TSC不可靠的系統(tǒng)上，可以使用外部定時硬件來作為時鐘源，當(dāng)自定義時鐘時需要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體中的宏CONFIG_XENO_OPT_EXTCLOCK包含的幾個必要函數(shù),且編譯配置使能CONFIG_XENO_OPT_EXTCLOCK。
注意：這里的自定義時鐘源只是將TSC替換為其他時鐘源，產(chǎn)生event的還是lapic-timer.
?
struct?xnclock?{
????/**?(ns)?*/
????xnticks_t?wallclock_offset;?/*獲取時鐘偏移：timekeeping - tsc*/
????/**?(ns)?*/
????xnticks_t?resolution;
????/**?(raw?clock?ticks).?*/
????struct?xnclock_gravity?gravity;
????/**?Clock?name.?*/
????const?char?*name;
????struct?{
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_EXTCLOCK
????????xnticks_t?(*read_raw)(struct?xnclock?*clock);
????????xnticks_t?(*read_monotonic)(struct?xnclock?*clock);
????????int?(*set_time)(struct?xnclock?*clock,
????????????????const?struct?timespec?*ts);
????????xnsticks_t?(*ns_to_ticks)(struct?xnclock?*clock,
??????????????????????xnsticks_t?ns);
????????xnsticks_t?(*ticks_to_ns)(struct?xnclock?*clock,
??????????????????????xnsticks_t?ticks);
????????xnsticks_t?(*ticks_to_ns_rounded)(struct?xnclock?*clock,
??????????????????????????xnsticks_t?ticks);
????????void?(*program_local_shot)(struct?xnclock?*clock,
???????????????????????struct?xnsched?*sched);
????????void?(*program_remote_shot)(struct?xnclock?*clock,
????????????????????????struct?xnsched?*sched);
#endif
????????int?(*set_gravity)(struct?xnclock?*clock,
???????????????????const?struct?xnclock_gravity?*p);
????????void?(*reset_gravity)(struct?xnclock?*clock);
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_VFILE
????????void?(*print_status)(struct?xnclock?*clock,
?????????????????????struct?xnvfile_regular_iterator?*it);
#endif
????}?ops;
????/*?Private?section.?*/
????struct?xntimerdata?*timerdata;
????int?id;
#ifdef?CONFIG_SMP
????/**?Possible?CPU?affinity?of?clock?beat.?*/
????cpumask_t?affinity;
#endif
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_STATS
????struct?xnvfile_snapshot?timer_vfile;
????struct?xnvfile_rev_tag?timer_revtag;
????struct?list_head?timerq;
????int?nrtimers;???/*統(tǒng)計掛在xnclock?xntimer?的數(shù)量*/
#endif?/*?CONFIG_XENO_OPT_STATS?*/
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_VFILE
????struct?xnvfile_regular?vfile;//vfile.ops=?&clock_ops
#endif
};
?
wallclock_offset:linux系統(tǒng)wall time(1970開始的時間值)與系統(tǒng)TSC cycle轉(zhuǎn)換為時間的偏移
resolution：該xnclock的精度
struct xnclock_gravity gravity:該xnclok下，中斷、內(nèi)核、用戶空間程序定時器的調(diào)整量，對系統(tǒng)精確定時很重要，后面會說到。
?
struct?xnclock_gravity?{
????unsigned?long?irq;
????unsigned?long?kernel;
????unsigned?long?user;
};
?
ops：該xnclok的各操作函數(shù)。
timerdata：xntimer 管理結(jié)構(gòu)頭節(jié)點，當(dāng)系統(tǒng)中使用紅黑樹來管理xntimer時，他是紅黑樹head節(jié)點，當(dāng)系統(tǒng)使用優(yōu)先級鏈表來管理時它是鏈表頭節(jié)點，系統(tǒng)會為每個cpu分配一個timerdata，管理著本CPU上已啟動的xntimer，當(dāng)為紅黑樹時head始終指向最近到期的xntimer，當(dāng)某個cpu上一個clockevent到來時，xnclock會從該CPU timerdata取出head指向的那個timer看是否到期，然后進(jìn)一步處理。
?
#if?defined(CONFIG_XENO_OPT_TIMER_RBTREE)
typedef?struct?{
????struct?rb_root?root;
????xntimerh_t?*head;
}?xntimerq_t;
#else
typedef?struct?list_head?xntimerq_t;
#endif
struct?xntimerdata?{
????xntimerq_t?q;
};
?
timerq：不論是屬于哪個cpu的xntimer初始化后都會掛到這個鏈表上，nrtimers掛在timerq上xntimer的個數(shù)
vfile：proc文件系統(tǒng)操作接口，可通過proc查看xenomai clock信息。
?
cat?/proc/xenomai/clock/coreclok gravity:?irq=99?kernel=1334?user=1334 devices:?timer=lapic-deadline,?clock=tsc status:?on setup:?99 ticks:?376931548560?(0057?c2defd90)
?
gravity即xnclock中的結(jié)構(gòu)體gravity的值，devices表示xenomai用于產(chǎn)生clock event的硬件timer，clock為xnclock計時的時鐘源。
xenomai 內(nèi)核默認(rèn)定義xnclock如下，名字和結(jié)構(gòu)體名一樣，至于xnclock怎么和硬件timer 、tsc聯(lián)系起來后面分析：
?
struct?xnclock?nkclock?=?{
????.name?=?"coreclk",
????.resolution?=?1,????/*?nanosecond.?*/
????.ops?=?{
????????.set_gravity?=?set_core_clock_gravity,
????????.reset_gravity?=?reset_core_clock_gravity,
????????.print_status?=?print_core_clock_status,
????},
????.id?=?-1,
};
?
2.2 xntimer
實時任務(wù)的所有定時行為最后都會落到內(nèi)核中的xntimer上，而xnclock管理著硬件clock event，xntimer要完成定時就需要xnclock來獲取起始時間，xntimer結(jié)構(gòu)如下：
?
struct?xntimer?{
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_EXTCLOCK
????struct?xnclock?*clock;
#endif
????/**?Link?in?timers?list.?*/
????xntimerh_t?aplink;
????struct?list_head?adjlink;
????/**?Timer?status.?*/
????unsigned?long?status;
????/**?Periodic?interval?(clock?ticks,?0?==?one?shot).?*/
????xnticks_t?interval;
????/**?Periodic?interval?(nanoseconds,?0?==?one?shot).?*/
????xnticks_t?interval_ns;
????/**?Count?of?timer?ticks?in?periodic?mode.?*/
????xnticks_t?periodic_ticks;
????/**?First?tick?date?in?periodic?mode.?*/
????xnticks_t?start_date;
????/**?Date?of?next?periodic?release?point?(timer?ticks).?*/
????xnticks_t?pexpect_ticks;
????/** Sched structure to which the timer is attached. 附加計時器的Sched結(jié)構(gòu)。*/
????struct?xnsched?*sched;
????/**?Timeout?handler.?*/
????void?(*handler)(struct?xntimer?*timer);
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_STATS
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_EXTCLOCK
????struct?xnclock?*tracker;
#endif
????/**?Timer?name?to?be?displayed.?*/
????char?name[XNOBJECT_NAME_LEN];
????/**?Timer?holder?in?timebase.?*/
????struct?list_head?next_stat;
????/**?Number?of?timer?schedules.?*/
????xnstat_counter_t?scheduled;
????/**?Number?of?timer?events.?*/
????xnstat_counter_t?fired;
#endif?/*?CONFIG_XENO_OPT_STATS?*/
};
?
clock：當(dāng)自定義外部時鐘源時，使用外部時鐘時的xnclock.
aplink:上面介紹新clock時說到timerdata，當(dāng)xntimer啟動是，aplink就會插入到所在cpu的timerdata中，當(dāng)timerdata為紅黑樹時，aplink就是一個rb節(jié)點，否則是一個鏈表節(jié)點。分別如下：
?
//優(yōu)先級鏈表結(jié)構(gòu)
struct?xntlholder?{
????struct?list_head?link;
????xnticks_t?key;
????int?prio;
};
typedef?struct?xntlholder?xntimerh_t;
//樹結(jié)構(gòu)
typedef?struct?{
????unsigned?long?long?date;
????unsigned?prio;
????struct?rb_node?link;
}?xntimerh_t;
?
系統(tǒng)默認(rèn)配置以紅黑樹形式管理xntimer,date表示定時器的多久后到期；prio表示該定時器的優(yōu)先級，當(dāng)加入鏈表時先date來排序，如果幾個定時器date相同就看優(yōu)先級，優(yōu)先級高的先處理；link為紅黑樹節(jié)點。
status：定時器狀態(tài)，所有狀態(tài)為如下：
?
#define?XNTIMER_DEQUEUED??0x00000001????/*沒有掛在xnclock上*/ #define?XNTIMER_KILLED????0x00000002????/*該定時器已經(jīng)被取消*/ #define?XNTIMER_PERIODIC??0x00000004????/*該定時器是一個周期定時器*/ #define?XNTIMER_REALTIME??0x00000008????/*定時器相對于Linux?walltime定時*/ #define?XNTIMER_FIRED?????0x00000010????/*定時已經(jīng)到期*/ #define?XNTIMER_NOBLCK????0x00000020????/*非阻塞定時器*/ #define?XNTIMER_RUNNING???0x00000040????/*定時器已經(jīng)start*/ #define?XNTIMER_KGRAVITY??0x00000080????/*該timer是一個內(nèi)核態(tài)timer*/ #define?XNTIMER_UGRAVITY??0x00000100????/*該timer是一個用戶態(tài)timer*/ #define?XNTIMER_IGRAVITY??0?????????/*該timer是一個中斷timer*/
?
interval、interval_ns:周期定時器的定時周期，分別是tick 和ns,0表示這個xntimer 是單次定時的。
handler：定時器到期后執(zhí)行的函數(shù)。
sched:該timer所在的sched，每個cpu核上有一個sched，管理本cpu上的線程調(diào)度，timer又需要本cpu的lapic定時，所以指定了sched就指定了該timer所屬cpu。
xntimer 使用需要先調(diào)用xntimer_init()初始化xntimer結(jié)構(gòu)成員，然后xntimer_start()啟動這個xntimer，啟動timer就是將它插入xnclock管理的紅黑樹。
xntimer_init()是一個宏，內(nèi)部調(diào)用__xntimer_init初始化timer，參數(shù)timer：需要初始化的timer；clock：該timer是依附于哪個xnclock,也就是說哪個xnclock來處理我是否觸發(fā)，沒有自定義就是xnclock，在timer_start的時候就會將這個timer掛到對應(yīng)的xnclock上去；handler：該timer到期后執(zhí)行的hanler；sched：timer所屬的sched；flags：指定該timer標(biāo)志。
?
#define?xntimer_init(__timer,?__clock,?__handler,?__sched,?__flags)????
do?{????????????????????????????????????
????__xntimer_init(__timer,?__clock,?__handler,?__sched,?__flags);??
????xntimer_set_name(__timer,?#__handler);??
}?while?(0)
void?__xntimer_init(struct?xntimer?*timer,
????????????struct?xnclock?*clock,
????????????void?(*handler)(struct?xntimer?*timer),
????????????struct?xnsched?*sched,
????????????int?flags)
{
????spl_t?s?__maybe_unused;
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_EXTCLOCK
????timer->clock?=?clock;
#endif
????xntimerh_init(&timer->aplink);
????xntimerh_date(&timer->aplink)?=?XN_INFINITE;//0
????xntimer_set_priority(timer,?XNTIMER_STDPRIO);
????timer->status?=?(XNTIMER_DEQUEUED|(flags?&?XNTIMER_INIT_MASK));??//?(0x01?|?flags?&?0x000001A0)
????timer->handler?=?handler;
????timer->interval_ns?=?0;
????timer->sched?=?NULL;
????/*
?????*?Set?the?timer?affinity,?preferably?to?xnsched_cpu(sched)?if
?????*?sched?was?given,?CPU0?otherwise.
?????*/
????if?(sched?==?NULL)
????????sched?=?xnsched_struct(0);
????xntimer_set_affinity(timer,?sched);
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_STATS
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_EXTCLOCK
????timer->tracker?=?clock;
#endif
????ksformat(timer->name,?XNOBJECT_NAME_LEN,?"%d/%s",
?????????task_pid_nr(current),?current->comm);
????xntimer_reset_stats(timer);
????xnlock_get_irqsave(&nklock,?s);
????list_add_tail(&timer->next_stat,?&clock->timerq);
????clock->nrtimers++;
????xnvfile_touch(&clock->timer_vfile);
????xnlock_put_irqrestore(&nklock,?s);
#endif?/*?CONFIG_XENO_OPT_STATS?*/
}
?
前面幾行都是初始化xntimer 結(jié)構(gòu)體指針，xntimer_set_affinity(timer, sched)表示將timer移到sched上(timer->shced=sched)。后面將這個初始化的time加到xnclock 的timerq隊列，nrtimers加1。基本成員初始化完了，還有優(yōu)先級沒有設(shè)置，aplink中的優(yōu)先級就代表了該timer的優(yōu)先級：
?
static?inline?void?xntimer_set_priority(struct?xntimer?*timer,
????????????????????int?prio)
{
????xntimerh_prio(&timer->aplink)?=?prio;/*設(shè)置timer節(jié)點優(yōu)先級*/
}
?
啟動一個定時器xntimer_start(）代碼如下：
?
int?xntimer_start(struct?xntimer?*timer,
??????????xnticks_t?value,?xnticks_t?interval,
??????????xntmode_t?mode)
{
????struct?xnclock?*clock?=?xntimer_clock(timer);
????xntimerq_t?*q?=?xntimer_percpu_queue(timer);
????xnticks_t?date,?now,?delay,?period;
????unsigned?long?gravity;
????int?ret?=?0;
????trace_cobalt_timer_start(timer,?value,?interval,?mode);
????if?((timer->status?&?XNTIMER_DEQUEUED)?==?0)
????????xntimer_dequeue(timer,?q);
????now?=?xnclock_read_raw(clock);
????timer->status?&=?~(XNTIMER_REALTIME?|?XNTIMER_FIRED?|?XNTIMER_PERIODIC);
????switch?(mode)?{
????case?XN_RELATIVE:
????????if?((xnsticks_t)value?status?|=?XNTIMER_REALTIME;
????????value?-=?xnclock_get_offset(clock);
????????/*?fall?through?*/
????default:?/*?XN_ABSOLUTE?||?XN_REALTIME?*/
????????date?=?xnclock_ns_to_ticks(clock,?value);
????????if?((xnsticks_t)(date?-?now)?<=?0)?{
????????????if?(interval?==?XN_INFINITE)
????????????????return?-ETIMEDOUT;
????????????/*
?????????????*?We?are?late?on?arrival?for?the?first
?????????????*?delivery,?wait?for?the?next?shot?on?the
?????????????*?periodic?time?line.
?????????????*/
????????????delay?=?now?-?date;
????????????period?=?xnclock_ns_to_ticks(clock,?interval);
????????????date?+=?period?*?(xnarch_div64(delay,?period)?+?1);
????????}
????????break;
????}
????/*
?????*?To?cope?with?the?basic?system?latency,?we?apply?a?clock
?????*?gravity?value,?which?is?the?amount?of?time?expressed?in
?????*?clock?ticks?by?which?we?should?anticipate?the?shot?for?any
?????*?outstanding?timer.?The?gravity?value?varies?with?the?type
?????*?of?context?the?timer?wakes?up,?i.e.?irq?handler,?kernel?or
?????*?user?thread.
?????*/
????gravity?=?xntimer_gravity(timer);
????xntimerh_date(&timer->aplink)?=?date?-?gravity;
????if?(now?>=?xntimerh_date(&timer->aplink))
????????xntimerh_date(&timer->aplink)?+=?gravity?/?2;
????timer->interval_ns?=?XN_INFINITE;
????timer->interval?=?XN_INFINITE;
????if?(interval?!=?XN_INFINITE)?{
????????timer->interval_ns?=?interval;
????????timer->interval?=?xnclock_ns_to_ticks(clock,?interval);
????????timer->periodic_ticks?=?0;
????????timer->start_date?=?date;
????????timer->pexpect_ticks?=?0;
????????timer->status?|=?XNTIMER_PERIODIC;
????}
????timer->status?|=?XNTIMER_RUNNING;
????xntimer_enqueue_and_program(timer,?q);
????return?ret;
}
?
啟動一個timer即將該timer插入xnclock 紅黑樹xntimerq_t。參數(shù)value表示定時時間、interval為0表示這個timer是單次觸發(fā)，非0表示周期定時器定時間隔，value和interval的單位由mode決定，當(dāng)mode設(shè)置為XN_RELATIVE表示相對定時定時、XN_REALTIME為相對linux時間定時，時間都為ns，其他則為絕對定時單位為timer的tick。
首先取出紅黑樹根節(jié)點q，如果這個timer的狀態(tài)是從隊列刪除（其他地方取消了這個定時器），就先把他從紅黑樹中刪除。讀取tsc得到此時tsc的tick值now，然后根據(jù)參數(shù)計算timer的到期時間date，中間將單位轉(zhuǎn)換為ticks。下面開始設(shè)置紅黑樹中的最終值,xntimer_gravity(timer)根據(jù)這個timer為誰服務(wù)取出對應(yīng)的gravity。
?
static?inline?unsigned?long?xntimer_gravity(struct?xntimer?*timer)
{
????struct?xnclock?*clock?=?xntimer_clock(timer);
????if?(timer->status?&?XNTIMER_KGRAVITY)/*內(nèi)核空間定時器*/
????????return?clock->gravity.kernel;
????if?(timer->status?&?XNTIMER_UGRAVITY)/*用戶空間定時器*/
????????return?clock->gravity.user;
????return?clock->gravity.irq;/*中斷*/
}
?
為什么要設(shè)置gravity呢?xenomai是個實時系統(tǒng)必須保證定時器的精確，xntimer都是由硬件timer產(chǎn)生中斷后處理的，如果沒有g(shù)ravity，對于用戶空間實時任務(wù)RT：假如此時時間刻度是0，該任務(wù)定時10us后觸發(fā)定時器,10us后，產(chǎn)生了中斷，此時時間刻度為10us,開始處理xntimer，然后切換回內(nèi)核空間執(zhí)行調(diào)度，最后切換回用戶空間，從定時器到期到最后切換回RT也是需要時間的，已經(jīng)超過RT所定的10us，因此，需要得到定時器超時->回到用戶空間的這段時間gravity；不同空間的任務(wù)經(jīng)過的路徑不一樣，所以針對kernel、user和irq分別計算gravity，當(dāng)任務(wù)定時，定時器到期時間date-gravity才是xntimer的觸發(fā)時間。當(dāng)切換回原來的任務(wù)時剛好是定時時間。
gravity是怎樣計算的，xenomai初始化相關(guān)文章分析；
最后將timer狀態(tài)設(shè)置為XNTIMER_RUNNING，調(diào)用xntimer_enqueue_and_program(timer, q)將timer按超時時間date和優(yōu)先級插入該CPU紅黑樹timedata,新加入了一個timer就需要重新看看，最近超時的timer是哪一個，然后設(shè)置底層硬件timer的下一個event時間，為最近一個要超時的timer date:
?
void?xntimer_enqueue_and_program(struct?xntimer?*timer,?xntimerq_t?*q)
{
????xntimer_enqueue(timer,?q);/*添加到紅黑樹*/
????if?(xntimer_heading_p(timer))?{/*這個timer處于第一個節(jié)點或者需要重新調(diào)度的sched的第二個節(jié)點*/
????????struct?xnsched?*sched?=?xntimer_sched(timer);/*timer所在的sched*/
????????struct?xnclock?*clock?=?xntimer_clock(timer);/*當(dāng)前存數(shù)所在的CPU*/
????????if?(sched?!=?xnsched_current())/*不是當(dāng)前CPU任務(wù)的定時器*/
????????????xnclock_remote_shot(clock,?sched);/*給當(dāng)前CPU發(fā)送ipipe_send_ipi(IPIPE_HRTIMER_IPI)，讓?sched?對應(yīng)CPU重新調(diào)度*/
????????else
????????????xnclock_program_shot(clock,?sched);/*設(shè)置下一個one?shot*/
????}
}
int?xntimer_heading_p(struct?xntimer?*timer)
{
????struct?xnsched?*sched?=?timer->sched;
????xntimerq_t?*q;
????xntimerh_t?*h;
????q?=?xntimer_percpu_queue(timer);
????h?=?xntimerq_head(q);
????if?(h?==?&timer->aplink)/*timer?就是第一個*/
????????return?1;
????if?(sched->lflags?&?XNHDEFER)?{/*處于重新調(diào)度狀態(tài)*/
????????h?=?xntimerq_second(q,?h);/*這個timer?處于重新調(diào)度狀態(tài)下紅黑樹下?*/
????????if?(h?==?&timer->aplink)
????????????return?1;
????}
????return?0;
}
?
由于head始終指向時間最小的timer，xntimer_heading_p()中先看head是不是剛剛插入的這個timer，如果是并且是本CPU上的timer就直接設(shè)置這timer的時間為lapic-timer的中斷時間，對應(yīng)22行返回->執(zhí)行10行。
如果是最小但是不是本CPU上的就需要通過ipipe向timer所在CPU發(fā)送一個中斷信號IPIPE_HRTIMER_IPI，告訴那個cpu，那個cpu就會執(zhí)行中斷處理函數(shù)xnintr_core_clock_handler()，對應(yīng)22行返回->執(zhí)行8行，為什么是IPIPE_HRTIMER_IPI?相當(dāng)于模擬底層lapic-timer 產(chǎn)生了一個event事件，ipipe會讓那個cpu 執(zhí)行xnintr_core_clock_handler()對timer進(jìn)行一個刷新，重新對底層硬件timer編程。
如果新插入的timer不是最小的，但是所在的sched處于XNHDEFER狀態(tài)，說明第一個timer雖然最小，但是這個最小的如果到期暫時不需要處理，那就取出定時時間第二小的timer，看是不是新插入的timer，如果是，返回1，繼續(xù)決定是編程還是發(fā)中斷信號。
如果其他情況，那就不用管了，啟動定時器流程完畢。一個一個timer到期后總會處理到新插入的這個的。
其中的向某個cpu發(fā)送中斷信號函數(shù)如下，IPIPE_HRTIMER_IPI是注冊到xnsched_realtime_domain的中斷，底層硬件timer產(chǎn)生中斷的中斷號就是IPIPE_HRTIMER_VECTOR，這里的發(fā)送中斷是通過中斷控制器APIC來完成的，APIC會給對應(yīng)cpu產(chǎn)生一個中斷，然后就會被ipipe通過ipipeline，優(yōu)先給xnsched_realtime_domain處理，ipipe domain管理說過:
?
void?xnclock_core_remote_shot(struct?xnsched?*sched)
{
????ipipe_send_ipi(IPIPE_HRTIMER_IPI,?*cpumask_of(xnsched_cpu(sched)));
}
int?xntimer_setup_ipi(void)
{
????return?ipipe_request_irq(&xnsched_realtime_domain,
?????????????????IPIPE_HRTIMER_IPI,
?????????????????(ipipe_irq_handler_t)xnintr_core_clock_handler,
?????????????????NULL,?NULL);
}
?
對底層timer編程的函調(diào)用xnclock_core_local_shot()函數(shù),最后調(diào)用ipipe_timer_set(delay)進(jìn)行設(shè)置，event時間：
?
static?inline?void?xnclock_program_shot(struct?xnclock?*clock,
????????????????????struct?xnsched?*sched)
{
????xnclock_core_local_shot(sched);
}
void?xnclock_core_local_shot(struct?xnsched?*sched)
{
????.......
????delay?=?xntimerh_date(&timer->aplink)?-?xnclock_core_read_raw();
????if?(delay??ULONG_MAX)
????????delay?=?ULONG_MAX;
????ipipe_timer_set(delay);
}
?
ipipe_timer_set()中先獲取這個cpu的percpu_timer t，然后將定時時間轉(zhuǎn)換為硬件的tick數(shù)，最后調(diào)用t->set(tdelay, t->timer_set)進(jìn)行設(shè)置。這里的percpu_timer 與ipipe 相關(guān)下面解析，這里只用知道最后是調(diào)用了percpu_timer 的set函數(shù)，這個set函數(shù)是直接設(shè)置硬件lapic-timer的。
?
void?ipipe_timer_set(unsigned?long?cdelay)
{
????unsigned?long?tdelay;
????struct?ipipe_timer?*t;
????t?=?__ipipe_raw_cpu_read(percpu_timer);
????.......
????/*將時間轉(zhuǎn)換定時器?頻率數(shù)*/
????tdelay?=?cdelay;
????if?(t->c2t_integ?!=?1)
????????tdelay?*=?t->c2t_integ;
????if?(t->c2t_frac)
????????tdelay?+=?((unsigned?long?long)cdelay?*?t->c2t_frac)?>>?32;
????if?(tdelay?min_delay_ticks)
????????tdelay?=?t->min_delay_ticks;
????if?(tdelay?>?t->max_delay_ticks)
????????tdelay?=?t->max_delay_ticks;
????if?(t->set(tdelay,?t->timer_set)?irq);?
}
?
總結(jié)：啟動一個xntimer，首先確定屬于哪個cpu，然后將它插入到該cpu的xntimer管理結(jié)構(gòu)timerdata，插入時按定時長短和優(yōu)先級來決定，最后設(shè)置底層硬件timer產(chǎn)生下一個中斷的時間點。
2.3 ipipe tick設(shè)備管理
linux時間系統(tǒng)中說到有多少個硬件timer，就會注冊多少個clock event device，最后linux會為每個cpu選擇一個合適的clock event來為tick device產(chǎn)生event。xenomai系統(tǒng)的運行也需要這么一個合適的硬件timer來產(chǎn)生event，由于xenomai需要的硬件都是由ipipe來提供，所以ipipe需要知道系統(tǒng)中有哪些clock event device被注冊，然后ipipe為每一個cpu核選擇一個合適的。
ipipe將linux中clock event device按xenomai系統(tǒng)需要重新抽象為結(jié)構(gòu)體struct ipipe_timer,系統(tǒng)中有一個全局鏈表timer，當(dāng)?shù)讓域?qū)動調(diào)用clockevents_register_device，注冊clock event設(shè)備時ipipe對應(yīng)的創(chuàng)建一個ipipe_timer插入鏈表timer。struct ipipe_timer如下：
?
struct?ipipe_timer?{
????int?irq;
????void?(*request)(struct?ipipe_timer?*timer,?int?steal);
????int?(*set)(unsigned?long?ticks,?void?*timer);
????void?(*ack)(void);
????void?(*release)(struct?ipipe_timer?*timer);
????/*?Only?if?registering?a?timer?directly?*/
????const?char?*name;
????unsigned?rating;
????unsigned?long?freq;
????unsigned?long?min_delay_ticks;
????unsigned?long?max_delay_ticks;
????const?struct?cpumask?*cpumask;
????/*?For?internal?use?*/
????void?*timer_set;????/*?pointer?passed?to?->set()?callback?*/
????struct?clock_event_device?*host_timer;/*依賴的clock?event*/
????struct?list_head?link;
????unsigned?c2t_integ;
????unsigned?c2t_frac;
????/*?For?clockevent?interception??*/
????u32?real_mult;
????u32?real_shift;
????void?(*mode_handler)(enum?clock_event_mode?mode,
?????????????????struct?clock_event_device?*);
????int?orig_mode;
????int?(*orig_set_state_periodic)(struct?clock_event_device?*);
????int?(*orig_set_state_oneshot)(struct?clock_event_device?*);
????int?(*orig_set_state_oneshot_stopped)(struct?clock_event_device?*);
????int?(*orig_set_state_shutdown)(struct?clock_event_device?*);
????int?(*orig_set_next_event)(unsigned?long?evt,
???????????????????struct?clock_event_device?*cdev);
????unsigned?int?(*refresh_freq)(void);
};
?
irq:該ipipe_timer所依賴的clock_event_device的中斷號，產(chǎn)生中斷時ipipe將中斷分配給誰處理用到；
request：設(shè)定clock_event_device模式的函數(shù)
set：設(shè)置下一個定時中斷的函數(shù)，這個就是上面啟動xntimer時的那個函數(shù)
ack：產(chǎn)生中斷后中斷清除函數(shù)
rating：該clock_event_device的raning級別
freq：該clock_event_device的運行頻率
min_delay_ticks、max_delay_ticks:最小、最大定時時間
cpumask：cpu掩碼，標(biāo)識可以為哪個cpu提供定時服務(wù)
host_timer:這個ipipe_timer對應(yīng)是哪個clock_event_device
link：鏈表節(jié)點，加入全局鏈表timer時使用
orig_set_state_periodic、orig_set_state_oneshot、orig_set_state_oneshot_stopped、orig_set_next_event，為xenomai提供服務(wù)需要將clock_event_device中一些已經(jīng)設(shè)置的函數(shù)替換，這些用來備份原clock_event_device中的函數(shù)。
再來看一看clock xevent注冊函數(shù)clockevents_register_device(),ipipe補丁在其中插入了一個注冊函數(shù)ipipe_host_timer_register()先把clock xevent管理起來:
?
void?clockevents_register_device(struct?clock_event_device?*dev)
{
????unsigned?long?flags;
????......
????ipipe_host_timer_register(dev);
????....
}
static?int?get_dev_mode(struct?clock_event_device?*evtdev)
{
????if?(clockevent_state_oneshot(evtdev)?||
????????clockevent_state_oneshot_stopped(evtdev))
????????return?CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT;
????if?(clockevent_state_periodic(evtdev))
????????return?CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC;
????if?(clockevent_state_shutdown(evtdev))
????????return?CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN;
????return?CLOCK_EVT_MODE_UNUSED;
}
void?ipipe_host_timer_register(struct?clock_event_device?*evtdev)
{
????struct?ipipe_timer?*timer?=?evtdev->ipipe_timer;
????if?(timer?==?NULL)
????????return;
????timer->orig_mode?=?CLOCK_EVT_MODE_UNUSED;
????if?(timer->request?==?NULL)
????????timer->request?=?ipipe_timer_default_request;/*設(shè)置request函數(shù)*/
????/*
?????*?By?default,?use?the?same?method?as?linux?timer,?on?ARM?at
?????*?least,?most?set_next_event?methods?are?safe?to?be?called
?????*?from?Xenomai?domain?anyway.
?????*/
????if?(timer->set?==?NULL)?{
????????timer->timer_set?=?evtdev;
????????timer->set?=?(typeof(timer->set))evtdev->set_next_event;/*設(shè)定的counter的cycle數(shù)值*/
????}
????if?(timer->release?==?NULL)
????????timer->release?=?ipipe_timer_default_release;
????if?(timer->name?==?NULL)
????????timer->name?=?evtdev->name;
????if?(timer->rating?==?0)
????????timer->rating?=?evtdev->rating;
????timer->freq?=?(1000000000ULL?*?evtdev->mult)?>>?evtdev->shift;/*1G*mult?>>?shift*/
????if?(timer->min_delay_ticks?==?0)
????????timer->min_delay_ticks?=
????????????(evtdev->min_delta_ns?*?evtdev->mult)?>>?evtdev->shift;
????if?(timer->max_delay_ticks?==?0)
????????timer->max_delay_ticks?=
????????????(evtdev->max_delta_ns?*?evtdev->mult)?>>?evtdev->shift;
????if?(timer->cpumask?==?NULL)
????????timer->cpumask?=?evtdev->cpumask;
????timer->host_timer?=?evtdev;
????ipipe_timer_register(timer);
}
?
這里面通過evtdev直接將一些結(jié)構(gòu)體成員賦值，這里需要注意的的是timer->set = (typeof(timer->set))evtdev->set_next_event;對于lapic-timer來說timer->set=lapic_next_event,如果CPU支持tsc deadline特性則是timer->set=lapic_next_deadline,TSC-deadline模式允許軟件使用本地APIC timer 在絕對時間發(fā)出中斷信號，使用tsc來設(shè)置deadline，為了全文統(tǒng)一，使用apic-timer，這決定了xenomai是否能直接控制硬件，然后調(diào)用ipipe_timer_register()將ipipe_timer添加到鏈表timer完成注冊：
?
void?ipipe_timer_register(struct?ipipe_timer?*timer)
{
????struct?ipipe_timer?*t;
????unsigned?long?flags;
????if?(timer->timer_set?==?NULL)
????????timer->timer_set?=?timer;
????if?(timer->cpumask?==?NULL)
????????timer->cpumask?=?cpumask_of(smp_processor_id());
????raw_spin_lock_irqsave(&lock,?flags);
????list_for_each_entry(t,?&timers,?link)?{/*按插入鏈表*/
????????if?(t->rating?<=?timer->rating)?{
????????????__list_add(&timer->link,?t->link.prev,?&t->link);
????????????goto?done;
????????}
????}
????list_add_tail(&timer->link,?&timers);/*按插入全局鏈表尾*/
??done:
????raw_spin_unlock_irqrestore(&lock,?flags);
}
?
xenomai在每一個cpu核都需要一個ipipe_timer 來推動調(diào)度、定時等，ipipe為每個CPU分配了一個ipipe_timer指針percpu_timer，鏈表timers記錄了所有ipipe_timer，這樣就可以從鏈表中選擇可供xenomai使用的ipipe_timer：
?
static?DEFINE_PER_CPU(struct?ipipe_timer?*,?percpu_timer);
?
另外，在3.ipipe domian管理說到每個cpu上管理不同域的結(jié)構(gòu)體ipipe_percpu_data，里面有一個成員變量int hrtimer_irq,這個hrtimer_irq是用來存放為這個cpu提供event的硬件timer的中斷號的，用于將ipipe_percpu_data與ipipe_timer聯(lián)系起來，介紹完相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下面來看xenomai 時鐘系統(tǒng)初始化流程。
?
DECLARE_PER_CPU(struct?ipipe_percpu_data,?ipipe_percpu);
?
2.4 xenomai 時鐘系統(tǒng)初始化流程
xenomai內(nèi)核系統(tǒng)初始化源碼文件：kernelxenomaiinit.c，時鐘系統(tǒng)在xenomai初始化流程中調(diào)用mach_setup()完成硬件相關(guān)初始化：
?
xenomai_init(void)
->mach_setup()
static?int?__init?mach_setup(void)
{
????struct?ipipe_sysinfo?sysinfo;
????int?ret,?virq;
????ret?=?ipipe_select_timers(&xnsched_realtime_cpus);
????...
????ipipe_get_sysinfo(&sysinfo);/*獲取?系統(tǒng)ipipe?信息*/
????if?(timerfreq_arg?==?0)
????????timerfreq_arg?=?sysinfo.sys_hrtimer_freq;
????if?(clockfreq_arg?==?0)
????????clockfreq_arg?=?sysinfo.sys_hrclock_freq;
????cobalt_pipeline.timer_freq?=?timerfreq_arg;
????cobalt_pipeline.clock_freq?=?clockfreq_arg;
????if?(cobalt_machine.init)?{?
????????ret?=?cobalt_machine.init();/*?mach_x86_init?*/
????????if?(ret)
????????????return?ret;
????}
????ipipe_register_head(&xnsched_realtime_domain,?"Xenomai");
????......
????ret?=?xnclock_init(cobalt_pipeline.clock_freq);/*初始化xnclock，為Cobalt提供clock服務(wù)時鐘*/
????return?0;
?
首先調(diào)用ipipe_select_timers()來為每個cpu選擇一個ipipe_timer。
?
int?ipipe_select_timers(const?struct?cpumask?*mask)
{
????unsigned?hrclock_freq;
????unsigned?long?long?tmp;
????struct?ipipe_timer?*t;
????struct?clock_event_device?*evtdev;
????unsigned?long?flags;
????unsigned?cpu;
????cpumask_t?fixup;
????.......
????if?(__ipipe_hrclock_freq?>?UINT_MAX)?{
????????tmp?=?__ipipe_hrclock_freq;
????????do_div(tmp,?1000);
????????hrclock_freq?=?tmp;
????}?else
????????hrclock_freq?=?__ipipe_hrclock_freq;/*1000ULL?*?cpu_khz*/
????.......
????for_each_cpu(cpu,?mask)?{/*從timers?為每一個CPU選擇一個?percpu_timer*/
????????list_for_each_entry(t,?&timers,?link)?{/*遍歷ipipe全局timer鏈表*/
????????????if?(!cpumask_test_cpu(cpu,?t->cpumask))
????????????????continue;
????????????evtdev?=?t->host_timer;
????????????if?(evtdev?&&?clockevent_state_shutdown(evtdev))/*該CPU?timer?被軟件shutdown則跳過*/
????????????????continue;
????????????goto?found;
????????}
????????....
????????goto?err_remove_all;
found:
????????install_pcpu_timer(cpu,?hrclock_freq,?t);/*設(shè)置每一個CPU的timer*/
????}
????.......
????flags?=?ipipe_critical_enter(ipipe_timer_request_sync);
????ipipe_timer_request_sync();/*如果支持，則切換到單觸發(fā)模式。*/
????ipipe_critical_exit(flags);
????.......
}
?
先得到從全局變量cpu_khz得到tsc頻率保存到hrclock_freq，然后為xenomai運行的每一個cpu核進(jìn)行ippie_timer選擇，對每一個遍歷全局鏈表timers，取出evtdev，看是否能為該cpu服務(wù)，并且沒有處于關(guān)閉狀態(tài)。evtdev在Linux沒有被使用就會被Linux關(guān)閉。最后選出來的也就是lapic-timer 。
找到合適的tevtdev后調(diào)用install_pcpu_timer(cpu, hrclock_freq, t),為該cpu設(shè)置ipipe_timer：
?
static?void?install_pcpu_timer(unsigned?cpu,?unsigned?hrclock_freq,
??????????????????struct?ipipe_timer?*t)
{
????per_cpu(ipipe_percpu.hrtimer_irq,?cpu)?=?t->irq;
????per_cpu(percpu_timer,?cpu)?=?t;
????config_pcpu_timer(t,?hrclock_freq);
}
?
主要是設(shè)置幾個xenomai相關(guān)的precpu變量，ipipe_percpu.hrtimer_irq設(shè)置為該evtdev的irq,percpu_timer為該evtdev對應(yīng)的ipipe_timer，然后計算ipipe_timer中l(wèi)apic-timer與tsc頻率之間的轉(zhuǎn)換因子c2t_integ、c2t_frac；
回到ipipe_select_timers(),通過ipipe給每一個cpu發(fā)送一個中斷IPIPE_CRITICAL_IPI，將每一個lapic-timer通過ipipe_timer->request設(shè)置為oneshot模式。
回到mach_setup(),為每個cpu選出ipipe_timer后獲取此時系統(tǒng)信息：ipipe_get_sysinfo(&sysinfo)
?
int?ipipe_get_sysinfo(struct?ipipe_sysinfo?*info)
{
????info->sys_nr_cpus?=?num_online_cpus();/*運行的cpu數(shù)據(jù)*/
????info->sys_cpu_freq?=?__ipipe_cpu_freq;/*1000ULL?*?cpu_khz*/
????info->sys_hrtimer_irq?=?per_cpu(ipipe_percpu.hrtimer_irq,?0);/*cpu0的ipipe_timer中斷號*/
????info->sys_hrtimer_freq?=?__ipipe_hrtimer_freq;/*time的頻率*/
????info->sys_hrclock_freq?=?__ipipe_hrclock_freq;/*1000ULL?*?cpu_khz*/
????return?0;
}
?
在這里還是覺得有問題，CPU和TSC、timer三者頻率不一定相等。
這幾個變量在接下來初始化xnclock中使用。xnclock_init(cobalt_pipeline.clock_freq)：
?
int?__init?xnclock_init(unsigned?long?long?freq)
{
????xnclock_update_freq(freq);?
????nktimerlat?=?xnarch_timer_calibrate();
????xnclock_reset_gravity(&nkclock);??????/*?reset_core_clock_gravity?*/
????xnclock_register(&nkclock,?&xnsched_realtime_cpus);
????return?0;
}
?
xnclock_update_freq(freq)計算出tsc頻率與時間ns單位的轉(zhuǎn)換因子tsc_scale,tsc_shift，計算流程可參考文檔實時內(nèi)核與linux內(nèi)核時鐘漂移過大原因.docx
xnarch_timer_calibrate()計算出每次對硬件timer編程這個執(zhí)行過程需要多長時間，也就是測量ipipe_timer_set()這個函數(shù)的執(zhí)行時間nktimerlat，計算方法是這樣先確保測量這段時間timer不會觸發(fā)中斷干擾，所以先用ipipe_timer_set()給硬件timer設(shè)置一個很長的超時值，然后開始測量，先從TSC讀取現(xiàn)在的時間tick值t0，然后循環(huán)執(zhí)行100次ipipe_timer_set(),接著從TSC讀取現(xiàn)在的時間tick值t1，ipipe_timer_set()平均每次的執(zhí)行時間是
，為了算上其他可能的延遲5%,nktimerlat=(t1?t0)/105；
下面計算對kernel、user、irq xntimer精確定時的gravity，上面已經(jīng)說過為甚需要這個，xnclock_reset_gravity(&nkclock)調(diào)用執(zhí)行xnclock->ops.reset_gravity()，也就是reset_core_clock_gravity()函數(shù):
?
static?void?reset_core_clock_gravity(struct?xnclock?*clock)
{
????struct?xnclock_gravity?gravity;
????xnarch_get_latencies(&gravity);
????gravity.user?+=?nktimerlat;?
????if?(gravity.kernel?==?0)
????????gravity.kernel?=?gravity.user;
????if?(gravity.irq?==?0)
????????gravity.irq?=?nktimerlat;
????set_core_clock_gravity(clock,?&gravity);
}
?
首先通過xnarch_get_latencies()函數(shù)來計算各空間的gravity，其實這個函數(shù)里沒有具體的計算流程，給的都是一些經(jīng)驗值，要么我們自己編譯時配置：
?
static?inline?void?xnarch_get_latencies(struct?xnclock_gravity?*p)
{
????unsigned?long?sched_latency;
#if?CONFIG_XENO_OPT_TIMING_SCHEDLAT?!=?0
????sched_latency?=?CONFIG_XENO_OPT_TIMING_SCHEDLAT;
#else?/*?!CONFIG_XENO_OPT_TIMING_SCHEDLAT?*/
????if?(strcmp(ipipe_timer_name(),?"lapic")?==?0)?{
#ifdef?CONFIG_SMP
????????if?(num_online_cpus()?>?1)
????????????sched_latency?=?3350;
????????else
????????????sched_latency?=?2000;
#else?/*?!SMP?*/
????????sched_latency?=?1000;
#endif?/*?!SMP?*/
????}?else?if?(strcmp(ipipe_timer_name(),?"pit"))?{?/*?HPET?*/
#ifdef?CONFIG_SMP
????????if?(num_online_cpus()?>?1)
????????????sched_latency?=?3350;
????????else
????????????sched_latency?=?1500;
#else?/*?!SMP?*/
????????sched_latency?=?1000;
#endif?/*?!SMP?*/
????}?else?{
????????sched_latency?=?(__get_bogomips()?user?=?sched_latency;
????p->kernel?=?CONFIG_XENO_OPT_TIMING_KSCHEDLAT;
????p->irq?=?CONFIG_XENO_OPT_TIMING_IRQLAT;???
}
?
首先判斷宏CONFIG_XENO_OPT_TIMING_SCHEDLAT 如果不等于0,說明我們自己配置了這個數(shù)，直接賦值就行,否則的話，根據(jù)xenomai使用的定時器是lapic 還是hept給不同的一些經(jīng)驗值了：
?
????p->user?=?CONFIG_XENO_OPT_TIMING_SCHEDLAT; ????p->kernel?=?CONFIG_XENO_OPT_TIMING_KSCHEDLAT; ????p->irq?=?CONFIG_XENO_OPT_TIMING_IRQLAT;?
?
CONFIG_XENO_OPT_TIMING_SCHEDLAT宏在內(nèi)核編譯時設(shè)置，默認(rèn)為0,使用已有的經(jīng)驗值：
?
[*]?Xenomai/cobalt?---> Latency?settings?---> (0)?User?scheduling?latency?(ns) (0)?Intra-kernel?scheduling?latency?(ns) (0)?Interrupt?latency?(ns)
?
實際使用后發(fā)現(xiàn)這個經(jīng)驗值也不太準(zhǔn)，從測試數(shù)據(jù)看i5處理器與賽揚就存在差別，如果開啟內(nèi)核trace，就更不準(zhǔn)了.
計算出gravity后加上ipipe_timer_set()執(zhí)行需要的時間nktimerlat，就是最終的gravity。以用戶空間實時程序定時為例如下(圖中時間段與比例無關(guān))：
到此mach_setup()函數(shù)中上層軟件時鐘相關(guān)初始化完了，但xenomai還不能直接對硬件timer，此時xenomai進(jìn)程調(diào)度還沒初始化，硬件timer與內(nèi)核調(diào)度等息息相關(guān)，xenomai內(nèi)核還不能掌管硬件timer，不能保證linux愉快運行，硬搶過來只能一起陣亡。等xenomai內(nèi)核任務(wù)管理等初始化完畢，給Linux舒適的運行空間，就可以直接控制硬件timer了，下面繼續(xù)解析這個函數(shù)sys_init()；
2.5 xenomai接管lapic-timer
sys_init()涉及每個CPU上的調(diào)度結(jié)構(gòu)體初始化等。先插以點內(nèi)容，每個cpu上的xenomai 調(diào)度由對象xnsched來管理，xnsched對象每個cpu有一個，其中包含各類sched class，還包含兩個xntimer，一個host timer ---htimer，主要給linux定時，另一個循環(huán)計時timer rrbtimer；一個xnthead結(jié)構(gòu)rootcb，xenomai調(diào)度的是線程，每個實時線程使用xnthead結(jié)構(gòu)表示，這個rootcb表示本cpu上xenomai調(diào)度的linux，在雙核下linux只是xenomai的一個idle任務(wù)，cpu0上xnsched結(jié)構(gòu)如下：
詳細(xì)的結(jié)構(gòu)后面會分析，這里只解析時鐘相關(guān)部分。
?
static?__init?int?sys_init(void)
{
????struct?xnsched?*sched;
????void?*heapaddr;
????int?ret,?cpu;
????if?(sysheap_size_arg?==?0)
????????sysheap_size_arg?=?CONFIG_XENO_OPT_SYS_HEAPSZ;/**/
????heapaddr?=?xnheap_vmalloc(sysheap_size_arg?*?1024);/*256?*?1024*/
.....
????xnheap_set_name(&cobalt_heap,?"system?heap");
????for_each_online_cpu(cpu)?{
????????sched?=?&per_cpu(nksched,?cpu);
????????xnsched_init(sched,?cpu);?
????}
#ifdef?CONFIG_SMP
????ipipe_request_irq(&xnsched_realtime_domain,
??????????????IPIPE_RESCHEDULE_IPI,
??????????????(ipipe_irq_handler_t)__xnsched_run_handler,
??????????????NULL,?NULL);?????
#endif
????xnregistry_init();
????/*
?????*?If?starting?in?stopped?mode,?do?all?initializations,?but?do
?????*?not?enable?the?core?timer.
?????*/
????if?(realtime_core_state()?==?COBALT_STATE_WARMUP)?{
????????ret?=?xntimer_grab_hardware();?/*霸占硬件host定時器*/
????????.....
????????set_realtime_core_state(COBALT_STATE_RUNNING);?/*更新實時內(nèi)核狀態(tài)*/
????}
????return?0;
}
?
sys_init()中先初始化內(nèi)核堆空間，初始化每個CPU上的調(diào)度結(jié)構(gòu)體xnsched、創(chuàng)建idle線程，也就是上面說到的roottcb，多cpu核調(diào)度等，經(jīng)過這一些步驟，LInux已經(jīng)變成xenomai的一個idle線程了，最后調(diào)用xntimer_grab_hardware(),接管硬件timer:
?
int?xntimer_grab_hardware(void)
{
????struct?xnsched?*sched;
????int?ret,?cpu,?_cpu;
????spl_t?s;
????.......
????nkclock.wallclock_offset?=
????????xnclock_get_host_time()?-?xnclock_read_monotonic(&nkclock);?
????ret?=?xntimer_setup_ipi();?ipipe_request_irq(&xnsched_realtime_domain,IPIPE_HRTIMER_IPI,
?????????????????(ipipe_irq_handler_t)xnintr_core_clock_handler,?NULL,?NULL);
????for_each_realtime_cpu(cpu)?{?
????????ret?=?grab_hardware_timer(cpu);?
????????if?(ret??1)
????????????xntimer_start(&sched->htimer,?ret,?ret,?XN_RELATIVE);
????????else?if?(ret?==?1)
????????????xntimer_start(&sched->htimer,?0,?0,?XN_RELATIVE);
#ifdef?CONFIG_XENO_OPT_WATCHDOG?/*啟動看門狗定時器*/
????????xntimer_start(&sched->wdtimer,?1000000000UL,?1000000000UL,?XN_RELATIVE);
????????xnsched_reset_watchdog(sched);
#endif
????????xnlock_put_irqrestore(&nklock,?s);
????}
????......
????return?ret;
}
?
注冊xnclock時nkclock.wallclock_offset沒有設(shè)置，現(xiàn)在設(shè)置也就是walltime的時間與tsc 的時間偏移。然后注冊IPIPE_HRTIMER_IPI中斷到xnsched_realtime_domain，9.2xntimer那一節(jié)啟動一個xntimer需要通知其他cpu處理時發(fā)送的IPIPE_HRTIMER_IPI：
?
int?xntimer_setup_ipi(void)
{
????return?ipipe_request_irq(&xnsched_realtime_domain,
?????????????????IPIPE_HRTIMER_IPI,
?????????????????(ipipe_irq_handler_t)xnintr_core_clock_handler,
?????????????????NULL,?NULL);
}
?
接下來就是重要的為每個cpu接管硬件timer了，其實過程也簡單，就是將原來lcock event的一些操作函數(shù)替換來達(dá)到目的，每個cpu上xenomai調(diào)度管理結(jié)構(gòu)xnsched，每個xnsched中有一個定時器htimer,這個xntimer就是為linux服務(wù)的，根據(jù)底層timer的類型，后啟動htimer,htimer 推動linux繼時間子系統(tǒng)運行。這些后面會詳細(xì)解析。回到接管timer函數(shù)grab_hardware_timer(cpu)：
?
static?int?grab_hardware_timer(int?cpu)
{
????int?tickval,?ret;
????ret?=?ipipe_timer_start(xnintr_core_clock_handler,
????????????????switch_htick_mode,?program_htick_shot,?cpu);
????switch?(ret)?{
????case?CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC:
????????/*
?????????*?Oneshot?tick?emulation?callback?won't?be?used,?ask
?????????*?the?caller?to?start?an?internal?timer?for?emulating
?????????*?a?periodic?tick.
?????????*/
????????tickval?=?1000000000UL?/?HZ;
????????break;
????case?CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT:
????????/*?oneshot?tick?emulation?*/
????????tickval?=?1;
????????break;
????case?CLOCK_EVT_MODE_UNUSED:
????????/*?we?don't?need?to?emulate?the?tick?at?all.?*/
????????tickval?=?0;
????????break;
????case?CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN:
????????return?-ENODEV;
????default:
????????return?ret;
????}
????return?tickval;
}
?
主要的操作在ipipe_timer_start(xnintr_core_clock_handler,switch_htick_mode, program_htick_shot, cpu)，后面的就是判斷這個timer工作在什么模式，相應(yīng)的返回好根據(jù)模式設(shè)置htimer為linux服務(wù);
ipipe_timer_start(xnintr_core_clock_handler,switch_htick_mode, program_htick_shot, cpu)其中的xnintr_core_clock_handler是lapic-timer 產(chǎn)生中斷時xenomai內(nèi)核的處理函數(shù)，里面會去處理每個xntimer以及xenomai調(diào)度;switch_htick_mode是lapic-timer工作模式切換函數(shù)，program_htick_shot函數(shù)是對sched->htimer重新定時的函數(shù)，這個函數(shù)對linux來說特別重要，以后linux就不直接對硬件timer設(shè)置定時了，而是給xenomai中的sched->htimer設(shè)置。下面是ipipe_timer_start代碼:
?
int?ipipe_timer_start(void?(*tick_handler)(void),
??????????????void?(*emumode)(enum?clock_event_mode?mode,
??????????????????????struct?clock_event_device?*cdev),
??????????????int?(*emutick)(unsigned?long?evt,
?????????????????????struct?clock_event_device?*cdev),
??????????????unsigned?int?cpu)
{
????struct?grab_timer_data?data;
????int?ret;
????data.tick_handler?=?tick_handler;/*xnintr_core_clock_handler*/
????data.emutick?=?emutick;/*program_htick_shot*/
????data.emumode?=?emumode;/*switch_htick_mode*/
????data.retval?=?-EINVAL;
????ret?=?smp_call_function_single(cpu,?grab_timer,?&data,?true);/*執(zhí)行g(shù)rab_timer*/
????return?ret??:?data.retval;
}
?
先將傳入的幾個函數(shù)指正存到結(jié)構(gòu)體data，然后調(diào)用smp_call_function_single傳給函數(shù)grab_timer處理,smp_call_function_single中的smp表示給指定的cpu去執(zhí)行g(shù)rab_timer，對應(yīng)的cpu執(zhí)行g(shù)rab_timer(&data):
?
static?void?grab_timer(void?*arg)
{
????struct?grab_timer_data?*data?=?arg;
????struct?clock_event_device?*evtdev;
????struct?ipipe_timer?*timer;
????struct?irq_desc?*desc;
????unsigned?long?flags;
????int?steal,?ret;
????flags?=?hard_local_irq_save();
????timer?=?this_cpu_read(percpu_timer);
????evtdev?=?timer->host_timer;
????ret?=?ipipe_request_irq(ipipe_head_domain,?timer->irq,
????????????????(ipipe_irq_handler_t)data->tick_handler,?
????????????????NULL,?__ipipe_ack_hrtimer_irq);
????if?(ret?retval?=?ret;
????????return;
????}
????steal?=?evtdev?!=?NULL?&&?!clockevent_state_detached(evtdev);
????if?(steal?&&?evtdev->ipipe_stolen?==?0)?{
????????timer->real_mult?=?evtdev->mult;
????????timer->real_shift?=?evtdev->shift;
????????timer->orig_set_state_periodic?=?evtdev->set_state_periodic;
????????timer->orig_set_state_oneshot?=?evtdev->set_state_oneshot;
????????timer->orig_set_state_oneshot_stopped?=?evtdev->set_state_oneshot_stopped;
????????timer->orig_set_state_shutdown?=?evtdev->set_state_shutdown;
????????timer->orig_set_next_event?=?evtdev->set_next_event;
????????timer->mode_handler?=?data->emumode;/*switch_htick_mode*/
????????evtdev->mult?=?1;
????????evtdev->shift?=?0;
????????evtdev->max_delta_ns?=?UINT_MAX;
????????if?(timer->orig_set_state_periodic)
????????????evtdev->set_state_periodic?=?do_set_periodic;
????????if?(timer->orig_set_state_oneshot)
????????????evtdev->set_state_oneshot?=?do_set_oneshot;
????????if?(timer->orig_set_state_oneshot_stopped)
????????????evtdev->set_state_oneshot_stopped?=?do_set_oneshot_stopped;
????????if?(timer->orig_set_state_shutdown)
????????????evtdev->set_state_shutdown?=?do_set_shutdown;
????????evtdev->set_next_event?=?data->emutick;?/*?program_htick_shot?*/
????????evtdev->ipipe_stolen?=?1;
????}
????hard_local_irq_restore(flags);
????data->retval?=?get_dev_mode(evtdev);
????desc?=?irq_to_desc(timer->irq);
????if?(desc?&&?irqd_irq_disabled(&desc->irq_data))
????????ipipe_enable_irq(timer->irq);?
????if?(evtdev->ipipe_stolen?&&?clockevent_state_oneshot(evtdev))?{/*?啟動oneshot*/
????????ret?=?clockevents_program_event(evtdev,
????????????????????????evtdev->next_event,?true);
????????if?(ret)
????????????data->retval?=?ret;
????}
}
?
首先從percpu_timer取出我們在ipipe_select_timers選擇的那個clockevent device evtdev,現(xiàn)在要這個evtdev為xenomai服務(wù)，所以將它的中斷注冊到ipipe_head_domain，當(dāng)中斷來的時候后ipipe會交給ipipe_head_domain調(diào)用data->tick_handler也就是xnintr_core_clock_handler處理，xnintr_core_clock_handler中處理xenomai在本CPU當(dāng)上的調(diào)度、定時等。
在struct clock_event_device中ipipe添加了一個標(biāo)志位ipipe_stolen用來表示該evtdev是不是已經(jīng)為實時系統(tǒng)服務(wù)，是就是1，否則為0，這里當(dāng)然為0，先將原來evtdev的操作函數(shù)備份到’orig_‘打頭的成員變量中，設(shè)置ipipe_timer的real_mult、real_shift為evtdev的mult、shift，原evtdev的mult、shift設(shè)置為1、0,linux計算的時候才能與xntimer定時時間對應(yīng)起來。
最重要的是把原來evtdev->set_next_event設(shè)置成了program_htick_shot，program_htick_shot如下，從此linux就是對shched->htimer 定時器設(shè)置定時，來替代原來的evtdev：
?
static?int?program_htick_shot(unsigned?long?delay,
??????????????????struct?clock_event_device?*cdev)
{
????struct?xnsched?*sched;
????int?ret;
????spl_t?s;
????xnlock_get_irqsave(&nklock,?s);
????sched?=?xnsched_current();?
????ret?=?xntimer_start(&sched->htimer,?delay,?XN_INFINITE,?XN_RELATIVE);?/*相對，單次定時*/
????xnlock_put_irqrestore(&nklock,?s);
????return?ret???-ETIME?:?0;
}
?
其余的最后如果evtdev中斷沒有使能就使能中斷，evtdev是oneshot狀態(tài)啟動oneshot,到此xenomai掌管了lpic-tiemr,從此xenomai內(nèi)核直接設(shè)置lpic-tiemr，lpic-tiemr到時產(chǎn)生中斷，ipipe調(diào)用執(zhí)行xnintr_core_clock_handler處理lpic-tiemr中斷，xnintr_core_clock_handler處理xenomai時鐘系統(tǒng)：
?
void?xnintr_core_clock_handler(void)
{
????struct?xnsched?*sched?=?xnsched_current();
????int?cpu??__maybe_unused?=?xnsched_cpu(sched);
????xnstat_exectime_t?*prev;
????if?(!xnsched_supported_cpu(cpu))?{?
#ifdef?XNARCH_HOST_TICK_IRQ
????????ipipe_post_irq_root(XNARCH_HOST_TICK_IRQ);??
#endif
????????return;
????}
????......
????++sched->inesting;??/*中斷嵌套++*/
????sched->lflags?|=?XNINIRQ;?/*在中斷上下文狀態(tài)*/
????xnlock_get(&nklock);
????xnclock_tick(&nkclock);?/*?處理一個時鐘tick*/
????xnlock_put(&nklock);
????trace_cobalt_clock_exit(per_cpu(ipipe_percpu.hrtimer_irq,?cpu));
????xnstat_exectime_switch(sched,?prev);
????if?(--sched->inesting?==?0)?{?/*如果沒有其他中斷嵌套，執(zhí)行從新調(diào)度*/
????????sched->lflags?&=?~XNINIRQ;
????????xnsched_run();?????/*調(diào)度*/
????????sched?=?xnsched_current();
????}
????/*
?????*?If?the?core?clock?interrupt?preempted?a?real-time?thread,
?????*?any?transition?to?the?root?thread?has?already?triggered?a
?????*?host?tick?propagation?from?xnsched_run(),?so?at?this?point,
?????*?we?only?need?to?propagate?the?host?tick?in?case?the
?????*?interrupt?preempted?the?root?thread.
?????*/
????if?((sched->lflags?&?XNHTICK)?&&
????????xnthread_test_state(sched->curr,?XNROOT))
????????xnintr_host_tick(sched);
}
?
xnintr_core_clock_handler中，首先判斷產(chǎn)生這個中斷的cpu屬不屬于實時調(diào)度cpu，如果不屬于，那就把中斷post到root域后直接返回，ipipe會在root域上掛起這個中斷給linux處理。
如果這是運行xenomai的cpu，接下來調(diào)用xnclock_tick(&nkclock)，來處理一個時鐘tick,里面就是看該cpu上哪些xntimer到期了做相應(yīng)處理：
?
void?xnclock_tick(struct?xnclock?*clock)
{
????struct?xnsched?*sched?=?xnsched_current();
????struct?xntimer?*timer;
????xnsticks_t?delta;
????xntimerq_t?*tmq;
????xnticks_t?now;
????xntimerh_t?*h;
????atomic_only();
????......
????tmq?=?&xnclock_this_timerdata(clock)->q;/**/
????/*
?????*?Optimisation:?any?local?timer?reprogramming?triggered?by
?????*?invoked?timer?handlers?can?wait?until?we?leave?the?tick
?????*?handler.?Use?this?status?flag?as?hint?to?xntimer_start().
?????*/
????sched->status?|=?XNINTCK;
????now?=?xnclock_read_raw(clock);
????while?((h?=?xntimerq_head(tmq))?!=?NULL)?{
????????timer?=?container_of(h,?struct?xntimer,?aplink);
????????delta?=?(xnsticks_t)(xntimerh_date(&timer->aplink)?-?now);
????????if?(delta?>?0)
????????????break;
????????trace_cobalt_timer_expire(timer);
????????xntimer_dequeue(timer,?tmq);
????????xntimer_account_fired(timer);/*timer->fired?++*/
????????/*
?????????*?By?postponing?the?propagation?of?the?low-priority
?????????*?host?tick?to?the?interrupt?epilogue?(see
?????????*?xnintr_irq_handler()),?we?save?some?I-cache,?which
?????????*?translates?into?precious?microsecs?on?low-end?hw.
?????????*/
????????if?(unlikely(timer?==?&sched->htimer))?{
????????????sched->lflags?|=?XNHTICK;???
????????????sched->lflags?&=?~XNHDEFER;
????????????if?(timer->status?&?XNTIMER_PERIODIC)
????????????????goto?advance;
????????????continue;
????????}
????????/*?Check?for?a?locked?clock?state?(i.e.?ptracing).*/
????????if?(unlikely(nkclock_lock?>?0))?{
????????????if?(timer->status?&?XNTIMER_NOBLCK)
????????????????goto?fire;
????????????if?(timer->status?&?XNTIMER_PERIODIC)
????????????????goto?advance;
????????????/*
?????????????*?We?have?no?period?for?this?blocked?timer,
?????????????*?so?have?it?tick?again?at?a?reasonably?close
?????????????*?date?in?the?future,?waiting?for?the?clock
?????????????*?to?be?unlocked?at?some?point.?Since?clocks
?????????????*?are?blocked?when?single-stepping?into?an
?????????????*?application?using?a?debugger,?it?is?fine?to
?????????????*?wait?for?250?ms?for?the?user?to?continue
?????????????*?program?execution.
?????????????*/
????????????xntimerh_date(&timer->aplink)?+=
????????????????xnclock_ns_to_ticks(xntimer_clock(timer),
????????????????????????250000000);
????????????goto?requeue;
????????}
????fire:
????????timer->handler(timer);/******************************/
????????now?=?xnclock_read_raw(clock);
????????timer->status?|=?XNTIMER_FIRED;
????????/*
?????????*?Only?requeue?periodic?timers?which?have?not?been
?????????*?requeued,?stopped?or?killed.
????????*/
????????if?((timer->status?&
????(XNTIMER_PERIODIC|XNTIMER_DEQUEUED|XNTIMER_KILLED|XNTIMER_RUNNING))?!=
????????????(XNTIMER_PERIODIC|XNTIMER_DEQUEUED|XNTIMER_RUNNING))
????????????continue;
????advance:
????????do?{
????????????timer->periodic_ticks++;
????????????xntimer_update_date(timer);
????????}?while?(xntimerh_date(&timer->aplink)?sched?!=?sched))
????????????continue;
#endif
????????xntimer_enqueue(timer,?tmq);
????}
????sched->status?&=?~XNINTCK;
????xnclock_program_shot(clock,?sched);
}
?
xnclock_tick里主要處理各種類型的xntimer，首先取出本cpu上管理xntimer紅黑樹的根節(jié)點xntimerq_t，然后開始處理，為了安全設(shè)置sched狀態(tài)標(biāo)識status為XNINTCK，標(biāo)識該sched正在處理tick，得到現(xiàn)在tsc值now，然后一個while循環(huán)，取出紅黑樹上定時最小的那個xntimer,得到這個xntimer的時間date，如果date減去now大于0，說明最短定時的xntimer都沒有到期，那就不需要繼續(xù)處理，直接跳出循環(huán)，執(zhí)行xnclock_program_shot(clock, sched)設(shè)置定時器下一個中斷觸發(fā)時間。
如果有xntimer到期，date減去now小于等于0，首先從紅黑樹中刪除，然后xntimer.fire加1,表示xntimer到期次數(shù)，然后處理，這里邏輯有點繞：
1.如果是sched->htimer，就是為Linux定時的，先設(shè)置sched->lflags |= XNHTICK，這個標(biāo)志設(shè)置的是lflags不是status，因為linux的不是緊急的，后面本cpu沒有高優(yōu)先級實時任務(wù)運行才會給linux處理。接著判斷是不是一個周期timer，如果是，goto到advance更新timer時間date，可能已將過去幾個周期時間了，所有使用循環(huán)一個一個周期的增加直到現(xiàn)在時間now，然后重新插入紅黑樹。
2.如果這個xntimer是一個非阻塞timer，直接跳轉(zhuǎn)fire執(zhí)行handler，并設(shè)置狀態(tài)已經(jīng)FIRED。
3.如果這是一個非htimer的周期定時器，那同樣更新時間后重新加入紅黑樹。
4.以上都不是就將xntimer重新定時250ms，加入紅黑樹。
xnclock_tick執(zhí)行返回后，xnstat_exectime_switch()更新該cpu上每個域的執(zhí)行時間,然后如果沒有其他中斷嵌套則進(jìn)行任務(wù)調(diào)度xnsched_run()；
不知經(jīng)過多少個rt任務(wù)切換后回到這個上下文，并且當(dāng)前cpu運行l(wèi)inux，上次離開這linux的定時器htimer還沒處理呢，檢查如果當(dāng)前cpu上運行l(wèi)inux，并且sched->lflags中有XNHTICK標(biāo)志，那將中斷通過ipipe post給linux處理，并清除lflags中的XNHTICK，linux中斷子系統(tǒng)就會去只執(zhí)行eventhandler，處理linux時間子系統(tǒng)。
?
void?xnintr_host_tick(struct?xnsched?*sched)?/*?Interrupts?off.?*/
{
????sched->lflags?&=?~XNHTICK;
#ifdef?XNARCH_HOST_TICK_IRQ
????ipipe_post_irq_root(XNARCH_HOST_TICK_IRQ);
#endif
}
?
2.6 xenomai內(nèi)核下Linux時鐘工作流程
到此時鐘系統(tǒng)中除調(diào)度相關(guān)的外，一個CPU上雙核系統(tǒng)時鐘流程如下圖所示：
總結(jié)：xenomai內(nèi)核啟動時，grab_timer()結(jié)合ipipe通過替換回調(diào)函數(shù)將原linux系統(tǒng)timer lapic-timer作為xenomai 系統(tǒng)timer，xenomai直接對層硬件lapic-timer編程，linux退化為xenomai的idle任務(wù)，idle任務(wù)的主時鐘就變成linux的時鐘來源，由linux直接對層硬件lapic-timer編程變成對idle hrtimer編程。idle hrtimer依附于xenomai時鐘xnclock，xnclock運作來源于底層硬件lapic-timer。
2.7 gravity
為什么要設(shè)置gravity呢?
xenomai是個實時系統(tǒng)必須保證定時器的精確，xntimer都是由硬件timer產(chǎn)生中斷后處理的，如果沒有g(shù)ravity，對于用戶空間實時任務(wù)RT：假如此時時間刻度是0，該任務(wù)定時10us后觸發(fā)定時器,10us后，產(chǎn)生了中斷，此時時間刻度為10us,開始處理xntimer，然后切換回內(nèi)核空間執(zhí)行調(diào)度，最后切換回用戶空間，從定時器到期到最后切換回RT也是需要時間的，已經(jīng)超過RT所定的10us，因此，需要得到定時器超時->回到用戶空間的這段時間gravity；不同空間的任務(wù)經(jīng)過的路徑不一樣，所以針對kernel、user和irq分別計算gravity，當(dāng)任務(wù)定時，定時器到期時間date-gravity才是xntimer的觸發(fā)時間。當(dāng)切換回原來的任務(wù)時剛好是定時時間。
總結(jié)來說是，CPU執(zhí)行代碼需要時間，調(diào)度度上下切換需要時間，中斷、內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)需要的時間不一樣，需要將中間的這些時間排除，這些時間就是gravity。
2.8 autotune
gravity可以使用xenomai 內(nèi)核代碼中的經(jīng)驗值，還可以內(nèi)核編譯時自定義，除這兩種之外，xenomai還提供了一種自動計算的程序autotune，它的使用需要配合內(nèi)核模塊autotune，編譯內(nèi)核時選中編譯：
?
[]?Xenomai/cobalt?---> Core?features?---> <>?Auto-tuning
?
程序autotune位于/usr/xenomai/sbin目錄下，直接執(zhí)行會分別計算irq、kernel、user的gravity；
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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