Linux kernel 驅動程式特有的時間管理機制, HZ, tick 與jiffies

簡介Linux Kernel的 HZ, tick and jiffies

(出處:ADRIAN’S BLOG)
Linux核心幾個重要跟時間有關的名詞或變數，底下將介紹HZ、tick與jiffies。

HZ

Linux核心每隔固定週期會發出timer interrupt (IRQ 0)，HZ是用來定義每一秒有幾次timer interrupts。舉例來說，HZ為1000，代表每秒有1000次timer interrupts。
HZ可在編譯核心時設定，如下所示 (以核心版本2.6.20-15為例)：

adrian@adrian-desktop:~$ cd /usr/src/linux
adrian@adrian-desktop:/usr/src/linux$ make menuconfig
Processor type and features —> Timer frequency (250 HZ) —>

其中HZ可設定100、250、300或1000。以小弟的核心版本預設值為250。
小實驗:
觀察/proc/interrupt的timer中斷次數，並於一秒後再次觀察其值。理論上，兩者應該相差250左右。

adrian@adrian-desktop:~$ cat /proc/interrupts | grep timer && sleep 1 && cat /proc/interrupts | grep timer
0: 9309306 IO-APIC-edge timer
0: 9309562 IO-APIC-edge timer

上面四個欄位分別為中斷號碼、CPU中斷次數、PIC與裝置名稱。
問題來了，timer interrupt會做哪些事情?
答案如下所列：
* 更新時間、日期與系統從開機至目前經過多少時間。
* 更新系統資源使用率統計
* 檢查正在執行的程序是否已經超過其所分配的執行時間額度。如果是的話，則侵佔(preempt)該程序以利執行其它等待執行的程序。
* 檢查軟體時間器(Software timer，如alarm系統呼叫)跟時間延遲函式(Delay function)的延遲時間是否已經超過。

Tick

Tick是HZ的倒數，意即timer interrupt每發生一次中斷的時間。如HZ為250時，tick為4毫秒 (millisecond)。

Jiffies

Jiffies為Linux核心變數(32位元變數，unsigned long)，它被用來紀錄系統自開幾以來，已經過多少的tick。每發生一次timer interrupt，Jiffies變數會被加一。值得注意的是，Jiffies於系統開機時，並非初始化成零，而是被設為-300*HZ (arch/i386/kernel/time.c)，即代表系統於開機五分鐘後，jiffies便會溢位。那溢位怎麼辦? 事實上，Linux核心定義幾個macro(timer_after、time_after_eq、time_before與time_before_eq)，即便是溢位，也能藉由這幾個macro正確地取得jiffies的內容。

另外，80×86架構定義一個與jiffies相關的變數jiffies_64 ，此變數64位元，要等到此變數溢位可能要好幾百萬年。因此要等到溢位這刻發生應該很難吧。那如何經由jiffies_64取得jiffies資訊呢? 事實上，jiffies被對應至jiffies_64最低的32位元。因此，經由jiffies_64可以完全不理會溢位的問題便能取得jiffies。

計時器 – 介紹驅動程式特有的時間管理機制。

(出處: cntofu)

###9-1、Kernel 的計時器管理 kernel 管理的 timer 大致分成兩類：
1. 現在的日期與時間
2. jiffies
其中 jiffies 指的就是 kernel 的 timer。

###9-2、現在的日期與時間「現在的日期與時間」指的是 1970 年 1月1日0時0分0秒至今為止的秒數，進而換算成日期與時間。

9-2.1、do_gettimeofday()

在 kernel 內想取得目前時刻，可以呼叫 do_gettimeofday()：

void do_gettimeofday(struct timeval *tv);

1	void do_gettimeofday(struct timeval *tv);

timeval 結構定義在「linux/time.h」標頭檔內：

struct timeval {
    time_t tv_sec; /* seconds */
    suseconds_t tv_usec; /*microseconds */
};

struct timeval {

time_t tv_sec; /* seconds */

suseconds_t tv_usec; /*microseconds */

};

do_gettimeofday 的範例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/delay.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)
{
    struct timeval now;
    suseconds_t diff;
    volatile int i;

    printk(KERN_ALERT "driver loaded: %s\n", __func__);

    do_gettimeofday(&amp;now);
    diff = now.tv_usec;     /* microseconds */

#if 0
    printk("Current UTC: %lu (%lu)\n", now.tv_sec, now.tv_usec);
    for (i = 0 ; i < 9999 ; i++)
        ;
#else
    udelay(100);

#endif

    do_gettimeofday(&amp;now);
    diff = now.tv_usec - diff;

    printk("Elapsed time: %lu\n", diff);

    return 0;
}

static void sample_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");
}

module_init(sample_init);
module_exit(sample_exit);

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/time.h>

#include <linux/delay.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)

{

struct timeval now;

suseconds_t diff;

volatile int i;

printk(KERN_ALERT "driver loaded: %s\n", __func__);

do_gettimeofday(&now);

diff = now.tv_usec; /* microseconds */

#if 0

printk("Current UTC: %lu (%lu)\n", now.tv_sec, now.tv_usec);

for (i = 0 ; i < 9999 ; i++)

;

#else

udelay(100);

#endif

do_gettimeofday(&now);

diff = now.tv_usec - diff;

printk("Elapsed time: %lu\n", diff);

return 0;

}

static void sample_exit(void)

{

printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");

}

module_init(sample_init);

module_exit(sample_exit);

####9-2.2、2038 年問題如果以 32-bit 變數存放經過的秒數，則會在 2038年1月19日產生溢位，有可能導致程式運作出錯，稱為「2038年問題(Year 2038 problem; Y2K38)」。
解決的方式之一，是把 time_t 改成 64-bit，Linux 也是採用這個解法。

9-3、jiffies

OS 內部會使用 timer interrupt 定期執行某些 kernel 的工作。
timer interrupt 是使用硬體的計時功能，在指定的時間間隔向 OS 發出 interrupt。
linux 在收到 timer interrupt 時，會遞增 jiffies 變數。

9-3.1、HZ 巨集

前面提到 jiffies 是 timer interrupt 的次數紀錄。 timer interrupt 的間隔是由 HZ 巨集決定的，HZ 的意義就是「hertz」。

#ifdef __KERNEL__ 
define HZ CONFIG_HZ /* Internal kernel timer frequency */ 
define USER_HZ 100 /* .. some suer interfaces are in "ticks" */ 
define CLOCKS_PER_SEC /* like times() */ 
#endif

#ifdef __KERNEL__

define HZ CONFIG_HZ /* Internal kernel timer frequency */

define USER_HZ 100 /* .. some suer interfaces are in "ticks" */

define CLOCKS_PER_SEC /* like times() */

#endif

假設 HZ 的值是 100，這樣代表每秒 timer interrupt 會發生 100 次，也就是每 0.01 秒發生一次：

Timer interrupt 發生間隔 = 1/HZ (秒)
增加 HZ 的值時，就會增加 timer interrupt 的次數，也就是增加 kernel 內部需要處理的工作量。 kernel 內部需要定期處理各種工作，這些工作就是由 timer interrupt 定期引發的。要縮短 kernel 的反應間隔，方法只有增加 timer interrupt 一途，但這樣會讓 kernel 消秏更多 CPU 資源。

9-3.2、遞增計數

實際增加 jiffies 的工作是由 do_timer() 完成的。

void do_timer(unsigned long ticks) {
    jiffies_64 += ticks;
    update_times(ticks);
}

void do_timer(unsigned long ticks) {

jiffies_64 += ticks;

update_times(ticks);

}

####9-3.3、驅動程式的取用方式驅動程式想取用「jiffies」或「jiffies_64」，必須先 include 進「linux/jiffies.h」。不過只要 include 進 linux/module.h 就會一併載入 jiffies.h ，所以不必明確 include 進 jiffies.h。

使用 jiffies 的範例：

#include <linux/module.h&gt;
#include <linux/init.h&gt;

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)
{
    printk("driver loaded: %lu\n", jiffies);

    return 0;
}

static void sample_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");
}

module_init(sample_init);
module_exit(sample_exit);

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)

{

printk("driver loaded: %lu\n", jiffies);

return 0;

}

static void sample_exit(void)

{

printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");

}

module_init(sample_init);

module_exit(sample_exit);

9-3.4、497日問題

jiffies 會隨會時間不斷向上遞增，如果 HZ 巨集的時間設為「100」的話，每 10 毫秒就會有一次 timer interrupt，如果 jiffies 的值增加了「200」的話，就知道是經過「2秒」。 jiffies 定義為 unsigned long，在 IA-32 上是 32-bit 整數，而32-bit 整數的最大值是 4294967295(2^32-1)，所以

4294967295/100 => 42949672(秒)/86400 => 497(日)
這就稱為「497日問題」。

驅動程式如果用到 jiffies 的話，一定要特別注意這個問題，應對方式為：

以 unsigned long 變數儲存 jiffies
計算 timeout 時，只從 jiffies 減去先前的值
程式碼範例為：

#define OVER_TICKS (3*HZ) 
unsigned long start_time = jiffies; 
/* .... */ 
if (jiffies - start_time >= OVER_TICKS) { 
... /* 經過三秒後要做的事 */ 
}

#define OVER_TICKS (3*HZ)

unsigned long start_time = jiffies;

/* .... */

if (jiffies - start_time >= OVER_TICKS) {

... /* 經過三秒後要做的事 */

}

9-3.5、jiffies 初始值

linux 2.4 的 jiffies 是以 0 作為初始值，也知道 jiffies 會在第 497 天 overflow。但為了徹底篩選出沒有處理 overflow 的程式碼， linux 2.6 開始把 jiffies 的初始值設為：「-300秒」。也就是說，只要五分鐘就會 overflow(變成 0 的時候就會 overflow)。

9-4、等待

有時為了讓硬體完成工作，驅動程式需要等待一段固定時間，此時可以使用定義在 linux/delay.h 的函式：

void mdelay(unsigned long msecs); 
void udelay(unsigned long usecs); 
void ndelay(unsigned long nsecs);

void mdelay(unsigned long msecs);

void udelay(unsigned long usecs);

void ndelay(unsigned long nsecs);

延遲的單位分別為毫秒(10-3)、微秒(10-6)、奈秒(10^-9)。

這些等待函式，在等待的過程中都會佔住 CPU，不會讓 CPU 去處理其它工作，這樣子的方式，稱為「busy waiting(忙錄等待)」。系統如果只有一個 CPU 的話，等待時，會讓整個 OS 停住(但是可以處理 interrupt)，所以一般的認知為：不要長時間 busy waiting busy waiting 的好處是可以在 interrupt context 使用。

busy waiting 的範例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)
{
    printk("driver loaded: %lu\n", jiffies);

    mdelay(100);  /* 100 msec */
    udelay(1000); /* 1000 micro second(0.001 msec) */
    ndelay(1000); /* 1000 nano second(0.001 micro second) */

    printk("%lu (HZ %d)\n", jiffies, HZ);

    return 0;
}

static void sample_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");
}

module_init(sample_init);
module_exit(sample_exit);

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)

{

printk("driver loaded: %lu\n", jiffies);

mdelay(100); /* 100 msec */

udelay(1000); /* 1000 micro second(0.001 msec) */

ndelay(1000); /* 1000 nano second(0.001 micro second) */

printk("%lu (HZ %d)\n", jiffies, HZ);

return 0;

}

static void sample_exit(void)

{

printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");

}

module_init(sample_init);

module_exit(sample_exit);

9-4.1、不忙碌的等待

如果在等待過程中，希望 CPU 去做其它事的話，可以用定義在「linux/delay.h」中 sleep 系列的等待函式：

void ssleep(unsigned int seconds); 
void msleep(unsigned int msecs); 
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs);

void ssleep(unsigned int seconds);

void msleep(unsigned int msecs);

unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs);

延遲的單位分別為秒、毫秒(10-3)、毫秒(10-3)。 msleep_interruptible() 與 msleep() 不同的地方在於等待過程可能被中斷，中斷指的是 process 可以接收 signal。如果在 msleep_interruptible() 中收到 signal 而中斷等待的話，則會回傳距離原始時限的時間(正值)，否則的話傳回「0」。

這幾個函式都會使 driver context 進入 sleep，所以不能在 interrupt context 中使用，因為 interrupt context 位於最高級，如果在 interrupt 處理時式之內 sleep 的話，就不會執行其它 process，也不會有其它人來叫醒 interrupt 處理程式，會造成全系統鎖死。

sleep() 的範例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)
{
    printk("driver loaded: %lu\n", jiffies);

    ssleep(10);   /* sleep for 10 seconds. */

    printk("%lu (HZ %d)\n", jiffies, HZ);

    return 0;
}

static void sample_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");
}

module_init(sample_init);
module_exit(sample_exit);

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int sample_init(void)

{

printk("driver loaded: %lu\n", jiffies);

ssleep(10); /* sleep for 10 seconds. */

printk("%lu (HZ %d)\n", jiffies, HZ);

return 0;

}

static void sample_exit(void)

{

printk(KERN_ALERT "driver unloaded\n");

}

module_init(sample_init);

module_exit(sample_exit);

在執行 ssleep() 時，終端就就算按「Ctrl+C」鍵送出訊號也不會造成中斷。以 ps 來看 insmod 的狀態，會發現是「D(uninterruptible sleep)」。而在執行 msleep_interruptible() 時，若按「Ctrl+C」鍵送出中斷訊號，則會發現 process 被中斷了，並回傳正值。以 ps 來看 insmod 的狀態，會發現是「S(interruptible sleep)」。

9-5、Kernel Timer

驅動程式在對硬體送出 DMA 指令後，為了監視 DMA 執行完成，有時需要在一定時間過後呼叫某些函式，linux kernel 有為這類計時需求提供機制，這個機制就是「kernel timer」。舉例來說，驅動程式對 I/O 裝置下令開始 DMA 後，通常在 I/O 裝置完工後，都會送出 interrupt 讓驅動程式繼續作處理。不過驅動程式有個鐵則，那就是：
不能假定硬體一定能正確完成工作

I/O 裝置有可能故障或發生其它問題，這時也不能讓 OS 當掉，必須重新，讓應用程式可以繼續執行，或是通知應用程式硬體發生問題。應用程式對驅動程式發出請求的情況下，驅動程式必須對這個請求送出回應，如果沒有在時限內收到 interrupt，必須能偵測出這種情形，並將錯誤碼回報給應用程式。

簡介Linux Kernel的 HZ, tick and jiffies

HZ

Tick

Jiffies

計時器 – 介紹驅動程式特有的時間管理機制。

9-2.1、do_gettimeofday()

9-3、jiffies

9-3.1、HZ 巨集

9-3.2、遞增計數

9-3.4、497日問題

9-3.5、jiffies 初始值

9-4、等待

9-4.1、不忙碌的等待

9-5、Kernel Timer

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