Arm通用计时器简介

最新推荐文章于 2025-03-30 20:56:02 发布

Roland_Sun

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分类专栏： Arm64 ARM 文章标签： Arm Arm64

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所有使用Arm处理器的系统中都会包含一个标准化的通用定时器（Generic Timer）框架。这个通用定时器系统提供了一个系统计数器（System Counter）和一组定时器（Timer）。其结构如下图：

可以看到，系统计数器是全局唯一的，并且全局共享，对系统中的所有Arm核心进行广播。这个计数器以一个固定的频率递增（频率范围通常从1MHz到50MHz不等）。同时，这个系统计数器还是一直存在的，哪怕系统处于待机状态，所有内核都被关闭了，它仍然可以工作。计数器的宽度有56位至64位，计数到达最大值后会回滚。

每一个Arm核都配备一组专门为自己服务的定时器。定时器到期了之后会通过私有的PPI（Private Peripheral Interrupt）向通用中断控制器发中断请求。按照不同的指令集扩展，每组都有最多7个定时器，但无论如何最基本的都会提供4个，它们分别是：

EL1 physical timer：给操作系统用的物理定时器；
EL1 virtual timer：给操作系统用的虚拟定时器；
Non-secure EL2 physical timer：给虚拟机的宿主系统用的定时器；
EL3 physical timer：给运行于EL3内的固件程序使用的定时器。

对于系统计数器来说，可以通过读取控制寄存器CNTPCT_EL0来获得当前的系统计数值（无论处于哪个异常级别），也就是通过以下汇编指令：

MRS Xn, CNTPCT_EL0

这条指令是可以乱序执行的，使用的时候要适当保护。确切的说，这是读取物理计数器的值，系统中其实还存在一个虚拟计数器的值，这个虚拟计数器主要也是给虚拟机的宿主系统用的。虚拟计数器的值和物理计数器的值有如下对应关系：

虚拟计数器 = 物理计数器 - 偏移

这个偏移的值是通过控制寄存器CNTVOFF_EL2设置的，看名字就知道只能在EL2或EL3层才有权限设置和访问，如果不设置的话，默认值是0，也就是虚拟计数器和物理计数器的值一致。如果想得到虚拟计数器的值，可以通过读取CNTVCT_EL0控制寄存器来获得。

系统计数器的频率主要通过控制寄存器CNTFRQ_EL0来控制。频率是可以随意设定的，但只能在EL3下设置，也就是说在系统固件程序里。在其它的异常级别里（EL2到EL0）都不能设置，但是可以通过读取这个CNTFRQ_EL0寄存器来获得在固件中设置好的频率。

对于Arm定时器来说，总体有两种工作方式：

到一个绝对时间之后就触发；
从现在开始再过一定时间间隔之后触发。

Arm定时器通过两类寄存器来实现以上两种工作方式。一类叫做比较寄存器（CVAL），还有一类叫做定时寄存器（TVAL）。

比较寄存器有64位，如果设置了之后，当系统计数器达到或超过了这个值之后（CVAL<系统计数器），就会触发定时器中断。通过这种方式来实现第一类定时任务，。

定时寄存器有32位，如果设置了之后，会将比较寄存器设置成当前系统计数器加上设置的定时寄存器的值（CVAL=系统计数器+TVAL），后面就一样了，当系统计数器达到或超过了这个值后，就会触发定时中断。通过这种方式来实现第二种定时任务。

可以看出来，无论那种类型的定时器都是单次出发的（One Shot），如果想要周期触发，必须在中断处理程序中重新设置。这也刚好满足Linux系统中对于高精度定时器的要求。

除了设置定时条件的寄存器，其实每组定时器都还有一个控制寄存器（CTL），其只有最低三位有意义，其它的60位全是保留的，设置成0：

最低三位分别是：

ENABLE：是否打开定时器，使其工作；
IMASK：中断掩码，如果设置成1，则即使定时器是工作的，仍然不会发出中断；
ISTATUS：如果定时器打开的话，且满足了触发条件，则将这一位设置成1。

所以很简单，如果想让定时器按照要求发出中断的话，必须将Enable位设置成1，且IMASK位必须设置成0。

定时中断满足触发条件后，其并不会自己消失。如果在中断处理程序中不做处理的话，那同一个触发条件会不停的触发中断。

前面说到了，每个Arm核都有4个私有定时器，每个定时器都有一个比较寄存器、一个定时寄存器、一个控制寄存器，所以一共应该有12个寄存器可以操作，将它们的命名总结如下：

定时器类型	比较寄存器名	定时寄存器名	控制寄存器名	访问异常级别
EL1 physical timer	CNTP_CVAL_EL0	CNTP_TVAL_EL0	CNTP_CTL_EL0	EL0和EL1
EL1 virtual timer	CNTV_CVAL_EL0	CNTV_TVAL_EL0	CNTV_CTL_EL0	EL0和EL1
Non-secure EL2 physical timer	CNTHP_CVAL_EL2	CNTHP_TVAL_EL2	CNTHP_CTL_EL2	NS.EL2
EL3 physical timer	CNTPS_CVAL_EL1	CNTPS_TVAL_EL1	CNTPS_CTL_EL1	EL3和S.EL1