Linux时间子系统8：clock_event

1、前言

上一篇我们谈到了timer，在详细分析hrtimer的实现之前，我们先追根溯源来谈一下clockevent。先抛开clockevent这个概念，如果硬件要支持定时功能，那么硬件必然要能够支持产生定时时间，通过异步中断的方式通知CPU，你当然不可能让CPU一直去轮询时钟，看时间是不是快到了对吧，linux对能够产生异步事件的clock进行了软件抽象clock event。那么实际上clock event和clock source是硬件时钟的一体两面，clock source提供了读取cycle，计算时间相关的功能，而clock event则提供了产生时间事件相关的功能。

2、clock_event_device数据结构

我们看一下Linux内核是如何用clock_event_device来抽象产生系统时间事件(中断)的设备的，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;struct module		*owner;
} ____cacheline_aligned;

clock_event_device肯定要基于中断，我们先看中断相关的成员

irq：使用的中断号

features：中断模式，硬件支持的中断能力，包括：

# define CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC	0x000001
# define CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT		0x000002
# define CLOCK_EVT_FEAT_KTIME		0x000004
# define CLOCK_EVT_FEAT_C3STOP		0x000008
# define CLOCK_EVT_FEAT_DUMMY		0x000010
# define CLOCK_EVT_FEAT_DYNIRQ		0x000020
# define CLOCK_EVT_FEAT_PERCPU		0x000040
# define CLOCK_EVT_FEAT_HRTIMER		0x000080

CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC：能够产生周期性event，比如每隔1s产生1个event

CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT ：具备产生oneshot类型的event能力，即单次event

CLOCK_EVT_FEAT_KTIME ：可以直接使用ktime产生event，即到达某个ktime产生event，有些硬件时钟确实有这样的能力，就比如在clocksource中说的，read函数返回的是time，而不是counter

CLOCK_EVT_FEAT_C3STOP ：CPU的sleep state叫做C-states，有C1/C2等，即CPU进入某个深度睡眠状态的时候，停止了local timer的运作

CLOCK_EVT_FEAT_PERCPU ：是不是percpu的clock event

CLOCK_EVT_FEAT_DYNIRQ：表示该定时事件设备可以设定CPU亲缘性，也就是可以指定到期后触发某个特定CPU的中断

CLOCK_EVT_FEAT_HRTIMER：表示该定时事件设备实际上是有高分辨率定时器模拟出来的

与feature强相关的还有state_use_accessors，clock event支持上述feature，但是具体工作在哪一个状态，用state_use_accessors描述，

enum clock_event_state {

CLOCK_EVT_STATE_DETACHED,

CLOCK_EVT_STATE_SHUTDOWN,

CLOCK_EVT_STATE_PERIODIC,

CLOCK_EVT_STATE_ONESHOT,

CLOCK_EVT_STATE_ONESHOT_STOPPED,

};

都比较好理解，就不解释了。同时，也可以看到工作状态，通过set_state_xxx这样的接口实现。

event_handler：这里的event_handler并不是中断处理函数，而是在中断处理函数中调用的callback

相应的就有next_event，set_next_event，set_next_ktime相关成员，和设置下一次触发时间相关

除了这些与中断相关的成员，还有

cpumask：指定了这个定时事件设备所服务的CPU号，系统中高精度定时事件设备一般都是每个CPU核私有的。

list：系统中所有的定时事件设备实例都会保存在全局链表clockevent_devices中

mult、shift，rating与clock source相同，其他略过。

3、clock_event_device的注册

注册函数：clockevents_config_and_register

在使用clockevents_config_and_register注册设备之前，先要准备好clock_event_device结构体数据。

void clockevents_config_and_register(struct clock_event_device *dev,u32 freq, unsigned long min_delta,unsigned long max_delta)
{dev->min_delta_ticks = min_delta;dev->max_delta_ticks = max_delta;clockevents_config(dev, freq);clockevents_register_device(dev);
}

实际调用了clockevents_config和clockevents_register_device，完成设备配置和注册

clockevents_config主要用来设置对应的mult和shift，clockevents_register_device如下：

void clockevents_register_device(struct clock_event_device *dev)
{unsigned long flags;/* Initialize state to DETACHED */clockevent_set_state(dev, CLOCK_EVT_STATE_DETACHED);if (!dev->cpumask) {WARN_ON(num_possible_cpus() > 1);dev->cpumask = cpumask_of(smp_processor_id());}if (dev->cpumask == cpu_all_mask) {WARN(1, "%s cpumask == cpu_all_mask, using cpu_possible_mask instead\n",dev->name);dev->cpumask = cpu_possible_mask;}raw_spin_lock_irqsave(&clockevents_lock, flags);list_add(&dev->list, &clockevent_devices);tick_check_new_device(dev);clockevents_notify_released();raw_spin_unlock_irqrestore(&clockevents_lock, flags);
}

首先修改了注册设备的状态为：CLOCK_EVT_STATE_DETACHED

再次检查了设备绑定的cpumask，随后list_add将设备加入全局设备链表clockevent_devices，与时钟源注册类似clocksource_list

tick_check_new_device用来检查当前的定时设备是否可以成为新的tick设备，回想一下，之前clocksource注册的时候是不是也有类似的操作，判断新注册的时钟源是否可以替代现有时钟源，这里的逻辑也是类似的。如果新设备更适合作为tick设备（想一想，系统时间是和clocksource绑定的，而系统tick是和clock_event_device绑定的），那么就会调用clockevents_exchange_device。

clockevents_exchange_device的实现看下一节

4、更换系统clock_event_device

当有新的定时事件设备加入内核后，有可能会切换当前tick设备使用的定时事件设备，

这是在函数clockevents_exchange_device中实现的

void clockevents_exchange_device(struct clock_event_device *old,struct clock_event_device *new)
{/** Caller releases a clock event device. We queue it into the* released list and do a notify add later.*/if (old) {module_put(old->owner);clockevents_switch_state(old, CLOCK_EVT_STATE_DETACHED);list_del(&old->list);list_add(&old->list, &clockevents_released);}if (new) {BUG_ON(!clockevent_state_detached(new));clockevents_shutdown(new);}
}

clockevents_switch_state将设备状态切换为CLOCK_EVT_STATE_DETACHED

list_del将事件设备从clockevent_devices全局链表删除，加入clockevents_released链表

这个函数是在本地中断关闭并且获得自旋锁的情况下调用的。功能其实很简单，主要就是把被替换的老设备从原有的clockevent_devices全局链表中删除，并加入clockevents_released全局链表中，于此同时，把新替换的设备加入clockevent_devices全局链表中，当然还要更新设备的状态。新加入的设备的初始状态必须是CLOCK_EVT_STATE_DETACHED。

5、配置clock event device触发参数

int clockevents_program_event(struct clock_event_device *dev, ktime_t expires,bool force)
{unsigned long long clc;int64_t delta;int rc;if (WARN_ON_ONCE(expires < 0))return -ETIME;dev->next_event = expires;if (clockevent_state_shutdown(dev))return 0;/* We must be in ONESHOT state here */WARN_ONCE(!clockevent_state_oneshot(dev), "Current state: %d\n",clockevent_get_state(dev));/* Shortcut for clockevent devices that can deal with ktime. */if (dev->features & CLOCK_EVT_FEAT_KTIME)return dev->set_next_ktime(expires, dev);delta = ktime_to_ns(ktime_sub(expires, ktime_get()));if (delta <= 0)return force ? clockevents_program_min_delta(dev) : -ETIME;delta = min(delta, (int64_t) dev->max_delta_ns);delta = max(delta, (int64_t) dev->min_delta_ns);clc = ((unsigned long long) delta * dev->mult) >> dev->shift;rc = dev->set_next_event((unsigned long) clc, dev);return (rc && force) ? clockevents_program_min_delta(dev) : rc;
}

dev指向具体的clock event device，expires参数是设定下一次产生event的时间点，force参数控制在expires设定异常的时候（例如设定在一个过去的时间点上产生event）该函数的行为，一种是出错返回，另外一种还是进行event的产生，只是设定一个最小的delta。

（1）如果chip driver支持使用ktime的设定（这需要硬件支持，设定了CLOCK_EVT_FEAT_KTIME flag的那些clock event device才支持哦），事情会比较简单，直接调用set_next_ktime就搞定了。

（2）对于一个“正常”的clock event device，需要转换成cycle这样的单位。不过在转换成cycle之前，需要先将ktime格式的时间（传入的expires参数就是这样的格式）转换成纳秒这样的时间单位。

（3）delta小于0意味着用户设定的时间点已经是过去的一个时间点，如果强制产生event的话，那么事不宜迟，要立刻产生event，这需要调用clockevents_program_min_delta函数，代码如下：