Linux之时间子系统(四)： tick 层模块(periodic 和dynamic )

一、时间子系统的软件架构

 二、tick 层模块的文件

tick-common.c
tick-oneshot.c
tick-sched.c

tick-broadcast.c
tick-broadcast-hrtimer.c

这三个文件属于tick device layer。
tick-common.c文件是periodic tick模块，用于管理周期性tick事件。
tick-oneshot.c文件是for高精度timer的，用于管理高精度tick时间。
tick-sched.c是用于dynamic tick的。

tick-broadcast.c 和 tick-broadcast-hrtimer.c  是broadcast tick模块。

如果说每个.c文件是一个模块的话，我们可以首先简单描述tick device layer的各个模块。tick-common.c描述了tick device的一些通用操作，此外，该文件还包括了周期性tick的代码。想要让系统工作在tickless mode（更准确应该是Dynamic tick模块，也就是说根据系统的当前运行状况，动态的启停周期性tick）需要两个模块的支持，分别是tick-oneshot.c和tick-sched.c。tick-oneshot.c主要是提供和tick device的one shot mode相关的操作接口函数。从字面上看，tick-sched.c是和tick的调度相关，所谓tick的调度包括两个方面，一方面是在系统正常运行过程中，如何产生周期性的tick event，另一方面是在系统没有任务执行，进入idle状态的时候，如何停止周期性的tick，以及恢复的时候如何更新系统状态（例如：jiffies等）。tick-broadcast.c和tick-broadcast-hrtimer.c是和tick broadcast相关，本文不会涉及这部分的内容，会有专门的文档描述它

1、什么是tick

想要理解什么是tick device，什么是tickless kernel，首先当然要理解什么是tick？要理解什么是tick，首先要理解OS kernel是如何运作的。系统中有很多日常性的事情需要处理，例如：

－－－更新系统时间

－－－处理低精度timer

－－－处理正在运行进程的时间片信息

系统在处理这些事情的时候使用了轮询的方式，也就是说按照固定的频率去做这些操作。这时候就需要HW的协助，一般而言，硬件会有HW timer（称之system timer）可以周期性的trigger interrupt，让系统去处理上述的日常性事务。每次timer中断到来的时候，内核的各个模块就知道，一个固定的时间片已经过去。对于日常生活，tick这个概念是和钟表关联的：钟表会发出周期性的滴答的声音，这个声音被称为tick。CPU和OS kernel扩展了这个概念：周期性产生的timer中断事件被称为tick，而能够产生tick的设备就称为tick device。

如何选择tick的周期是需要在power comsuption、时间精度以及系统响应时间上进行平衡。我们考虑系统中基于tick的低精度timer模块，选择较高的tick频率会提高时间精度，例如对于，10ms的tick周期意味着低精度timer的时间精度就是10ms，设定3ms的低精度timer没有任何意义。为了提高时间精度，我们可以提高tick的频率，例如可以提升到1ms的tick，但是，这时更多的CPU的时间被花费在timer的中断处理，实际上，当系统不繁忙的时候，并不是每一个tick都是那么有意义，实际上大部分的tick到来的时候，OS kernel往往只是空转，实际上并有什么事情做，这对系统的power consumption是有害的。对于嵌入式设备，周期性的tick对power consumption危害更大，因为对于嵌入式设备，待机时间是一个很重要的指标，而周期性tick则意味着系统不可能真正的进入idle状态，而是会周期性的被wakeup，这些动作会吃掉电池的电量。同理，对于调度器而言亦然。如果设定10ms的tick，分配每个进程的时间片精度只是10ms，调度器计算每个进程占用CPU的时间也只能是以10ms为单位。为了提高进程时间片精度，我们可以提高tick的频率，例如可以提升到1ms的tick，但是，这时更多的CPU的时间被花费在进程上下文的切换上，但是，对应的好处是系统的响应时间会更短。

三、periodic tick 模块

1、数据结构

在内核中，使用struct tick_device来抽象系统中的tick设备，如下：

struct tick_device {
    struct clock_event_device *evtdev;
    enum tick_device_mode mode;
};

从上面的定义就可以看出：所谓tick device其实就是工作在某种模式下的clock event设备。工作模式体现在tick device的mode成员，evtdev指向了和该tick device关联的clock event设备。

tick device的工作模式定义如下：

enum tick_device_mode {
    TICKDEV_MODE_PERIODIC,
    TICKDEV_MODE_ONESHOT,
};

tick device可以工作在两种模式下，一种是周期性tick模式，另外一种是one shot模式。one shot模式主要和tickless系统以及高精度timer有关。

2、tick device的分类以及和CPU的关系

（1） local tick device。在单核系统中，传统的unix都是在tick驱动下进行任务调度、低精度timer触发等，在多核架构下，系统为每一个cpu建立了一个tick device，如下：

DEFINE_PER_CPU(struct tick_device, tick_cpu_device);

local tick device的clock event device应该具备下面的特点：

（a）该clock event device对应的HW timer必须是和该CPU core是有关联的的（也就是说，该hw timer的中断是可以送达到该CPU core的）。struct clock_event_device 有一个cpumask成员，它可以指示该clock event device为哪一个或者哪几个CPU core工作。如果采用ARM generic timer的硬件，其HW timer总是为一个CPU core服务的，我们称之为per cpu timer。

（b）该clock event device支持one shot模式，并且精度最高（rating最大）

（2）global tick device。具体定义如下：

int tick_do_timer_cpu __read_mostly = TICK_DO_TIMER_BOOT;

有些任务不适合在local tick device中处理，例如更新jiffies，更新系统的wall time，更新系统的平均负载（不是单一CPU core的负载），这些都是系统级别的任务，只需要在local tick device中选择一个作为global tick device就OK了。tick_do_timer_cpu指明哪一个cpu上的local tick作为global tick。

（3）broadcast tick device，定义如下：

static struct tick_device tick_broadcast_device;

我们会单独一份文档描述它，这里就不再描述了。

四、初始化tick device

1、注册一个新的clock event device的时候，tick device layer要做什么？

在clock_event的文章中，我们知道：底层的timer硬件驱动在初始化的时候会注册clock event device，在注册过程中就会调用tick_check_new_device函数来看看是否需要进行tick device的初始化，如果已经已经初始化OK的tick device是否有更换更高精度clock event device的需求。代码如下：

void tick_check_new_device(struct clock_event_device *newdev)
{
    struct clock_event_device *curdev;
    struct tick_device *td;
    int cpu;

    cpu = smp_processor_id();－－－－－－－－－－－－－－－－－（1）
 

    td = &per_cpu(tick_cpu_device, cpu);－－－获取当前cpu的tick device
    curdev = td->evtdev; －－－目前tick device正在使用的clock event device

    if (!tick_check_percpu(curdev, newdev, cpu))－－－－－－－－－（2）
        goto out_bc;

    if (!tick_check_preferred(curdev, newdev))－－－－－－－－－－－（3）
        goto out_bc;

    if (!try_module_get(newdev->owner)) －－－－－增加新设备的reference count
        return;

    if (tick_is_broadcast_device(curdev)) { －－－－－－－－－－－－－（4）
        clockevents_shutdown(curdev);
        curdev = NULL;
    }
    clockevents_exchange_device(curdev, newdev); －－－通知clockevent layer
    tick_setup_device(td, newdev, cpu, cpumask_of(cpu)); －－－－－－－－（5）
    if (newdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT) 
        tick_oneshot_notify();
    return;

out_bc: 
    tick_install_broadcast_device(newdev); －－－－其他文档中描述
}

（1）是否是为本CPU服务的clock event device？如果不是，那么不需要考虑per cpu tick device的初始化或者更换该cpu tick device的clock event devic