x86 related clock sources

x86_64 관련 클럭 소스

이것은 리눅스 커널에서 타이머와 시간 관리 관련 내용을 설명하는 챕터의 여섯 번째 부분입니다. 이전 파트에서 우리는 clockevents 프레임 워크를 보았고 이제는 Linux 커널에서 시간 관리 관련 내용을 계속해서 살펴볼 것입니다. 이 부분에서는 x86 아키텍처 관련 클럭 소스의 구현에 대해 설명합니다 (이 챕터의 두 번째 파트에서 읽을 수 있는 clocksource개념에 대한 자세한 내용을 볼 수 있습니다.)

우선 x86 아키텍처에서 어떤 클럭 소스를 사용할 수 있는지 알아야합니다. sysfs 또는 /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource의 내용에서 쉽게 알 수 있습니다. /sys/devices/system/clocksource/clocksourceN은 이를 달성하기 위해 두 가지 특수 파일을 제공합니다:

available_clocksource - 시스템에서 사용 가능한 클럭 소스에 대한 정보를 제공합니다.;
current_clocksource - 시스템에서 현재 사용되는 클럭 소스에 대한 정보를 제공합니다.

자, 보자:

$ cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource
tsc hpet acpi_pm

내 시스템에 3 개의 등록 된 클럭 소스가 있음을 알 수 있습니다:

tsc - Time Stamp Counter;
hpet - High Precision Event Timer;
acpi_pm - ACPI Power Management Timer.

이제 최고의 클럭 소스 (시스템에서 가장 높은 등급을 가진 클럭 소스)를 제공하는 두 번째 파일을 살펴 보겠습니다:

$ cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource
tsc

저의 경우 Time Stamp Counter입니다. 이 장의 두 번째 부분에서 알 수 있듯이 리눅스 커널에서 clocksource 프레임 워크의 내부를 설명하고 있듯이, 시스템에서 가장 좋은 클럭 소스는 최고 (최고) 등급을 가진 클럭 소스입니다. 주파수가 가장 높습니다.

ACPI 전원 관리 타이머의 주파수는 3.579545 MHz입니다. 고정밀 이벤트 타이머의 주파수는 10 MHz이상입니다. 타임 스탬프 카운터의 주파수는 프로세서에 따라 다릅니다. 예를 들어 구형 프로세서에서 타임 스탬프 카운터는 내부 프로세서 클럭 주기를 계산했습니다. 이는 프로세서의 주파수 스케일링이 변경 될 때 주파수가 변경되었음을 의미합니다. 최신 프로세서의 상황이 변경되었습니다. 최신 프로세서에는 프로세서의 모든 작동 상태에서 일정한 속도로 증가하는 불변 타임 스탬프 카운터가 있습니다. 실제로 우리는 /proc/cpuinfo의 출력에서 주파수를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 시스템의 첫 번째 프로세서의 경우:

$ cat /proc/cpuinfo
...
model name    : Intel(R) Core(TM) i7-4790K CPU @ 4.00GHz
...

인텔 매뉴얼에 따르면 타임 스탬프 카운터의 주파수는 일정하고 프로세서의 최대 적격 주파수 또는 브랜드 문자열에 지정된 주파수 일 필요는 없지만 어쨌든 ACPI PM 타이머 또는 고정밀 이벤트 타이머의 주파수 보다 더 클 것입니다. 그리고 우리는 시스템에서 최고의 정격 또는 가장 높은 주파수를 가진 클럭 소스가 전류임을 알 수 있습니다.

이 3 개의 클록 소스 외에, /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource의 출력에서 또 다른 2 개의 친숙한 클록 소스가 보이지 않습니다. 이 클럭 소스는 jiffy와 refined_jiffies입니다. 이 파일은 고해상도 클럭 소스 또는 다른 말로 CLOCK_SOURCE_VALID_FOR_HRES 플래그를 가진 클럭 소스 만 매핑하기 때문에 우리는 그것들을 볼 수 없습니다.

위에서 이미 썼 듯이이 부분에서이 세 가지 클럭 소스를 모두 고려할 것입니다. 초기화 순서대로 고려하거나:

hpet;
acpi_pm;
tsc.

dmesg 유틸리티의 출력에서 순서가 정확히 이와 같은지 확인할 수 있습니다:

$ dmesg | grep clocksource
[    0.000000] clocksource: refined-jiffies: mask: 0xffffffff max_cycles: 0xffffffff, max_idle_ns: 1910969940391419 ns
[    0.000000] clocksource: hpet: mask: 0xffffffff max_cycles: 0xffffffff, max_idle_ns: 133484882848 ns
[    0.094369] clocksource: jiffies: mask: 0xffffffff max_cycles: 0xffffffff, max_idle_ns: 1911260446275000 ns
[    0.186498] clocksource: Switched to clocksource hpet
[    0.196827] clocksource: acpi_pm: mask: 0xffffff max_cycles: 0xffffff, max_idle_ns: 2085701024 ns
[    1.413685] tsc: Refined TSC clocksource calibration: 3999.981 MHz
[    1.413688] clocksource: tsc: mask: 0xffffffffffffffff max_cycles: 0x73509721780, max_idle_ns: 881591102108 ns
[    2.413748] clocksource: Switched to clocksource tsc

첫 번째 클럭 소스는 고정밀 이벤트 타이머이므로 여기서 부터 시작하겠습니다.

고정밀 이벤트 타이머

x86 아키텍처에 대한 고정밀 이벤트 타이머의 구현은 arch/x86/ kernel/hpet.c 소스 코드 파일에 있습니다. 초기화는 hpet_enable 함수의 호출에서 시작됩니다. 이 함수는 Linux 커널 초기화 중에 호출됩니다. init/main.c 소스 코드 파일에서 start_kernel 함수를 살펴보면, 모든 아키텍처 관련 항목이 초기화 된 후 초기 콘솔이 비활성화되고 시간 관리 서브 시스템이 이미 준비되어 있음을 알 수 있습니다. 다음 함수를 호출하면:

if (late_time_init)
    late_time_init();

초기 지피 카운터가 이미 초기화 된 후 늦은 아키텍처 특정 타이머의 초기화를 수행합니다. x86 아키텍처에 대한late_time_init 함수의 정의는 arch/x86/kernel/time.c소스 코드 파일에 있습니다. 꽤 쉬워 보입니다:

static __init void x86_late_time_init(void)
{
    x86_init.timers.timer_init();
    tsc_init();
}

보시다시피, x86 관련 타이머의 초기화와 타임 스탬프 카운터의 초기화를 합니다. 다음 단락에서 보겠지만, 이제 x86_init.timers.timer_init 함수 호출을 고려해 보자. timer_init는 동일한 소스 코드 파일에서 hpet_time_init 함수를 가리 킵니다. arch/x86/kernelx86_init.c에서 x86_init 구조체의 정의를 보면 이를 확인할 수 있습니다:

struct x86_init_ops x86_init __initdata = {
   ...
   ...
   ...
   .timers = {
        .setup_percpu_clockev    = setup_boot_APIC_clock,
        .timer_init        = hpet_time_init,
        .wallclock_init        = x86_init_noop,
   },
   ...
   ...
   ...

High Precision Event Timer를 활성화 할 수없는 경우 hpet_time_init 함수는 programmable interval timer를 설정하고 활성화 된 타이머에 대한 기본 타이머 IRQ를 설정합니다:

void __init hpet_time_init(void)
{
    if (!hpet_enable())
        setup_pit_timer();
    setup_default_timer_irq();
}

먼저,hpet_enable 기능 검사에서 is_hpet_capable 함수를 호출하여 시스템에서 High Precision Event Timer를 활성화 할 수 있으며 가능하면 가상 주소 공간을 매핑합니다:

int __init hpet_enable(void)
{
    if (!is_hpet_capable())
        return 0;

    hpet_set_mapping();
}

is_hpet_capable 함수는 커널 명령 행에 hpet = disable을 전달하지 않았으며 hpet_address가 ACPI HPET 테이블에서 수신되는지 확인합니다. hpet_set_mapping 함수는 타이머 레지스터의 가상 주소 공간을 매핑합니다:

hpet_virt_address = ioremap_nocache(hpet_address, HPET_MMAP_SIZE);

IA-PC HPET (High Precision Event Timers) Specification에서 읽을 수 있듯이:

타이머 레지스터 공간은 1024 바이트입니다

따라서 HPET_MMAP_SIZE도 1024바이트입니다:

#define HPET_MMAP_SIZE        1024

고정밀 이벤트 타이머에 대한 가상 공간을 매핑 한 후, HPET_ID 레지스터를 읽고 타이머 수를 얻습니다:

id = hpet_readl(HPET_ID);

last = (id & HPET_ID_NUMBER) >> HPET_ID_NUMBER_SHIFT;

고정밀 이벤트 타이머의 일반 구성 레지스터에 올바른 공간을 할당하려면 이 숫자를 가져와야합니다:

cfg = hpet_readl(HPET_CFG);

hpet_boot_cfg = kmalloc((last + 2) * sizeof(*hpet_boot_cfg), GFP_KERNEL);

공간이 고정밀 이벤트 타이머의 구성 레지스터에 할당 된 후, 우리는 메인 카운터의 실행을 허용하고 모든 타이머에 대한 구성 레지스터에서 HPET_CFG_ENABLE 비트의 설정에 의해 타이머 인터럽트가 활성화되면 타이머 인터럽트를 허용합니다. 결국 우리는 hpet_clocksource_register 함수를 호출하여 새로운 클럭 소스를 등록합니다:

if (hpet_clocksource_register())
    goto out_nohpet;

이미 익숙한 호출

clocksource_register_hz(&clocksource_hpet, (u32)hpet_freq);

함수. clocksource_hpet이 250등급 (이전 refined_jiffies 클럭 소스의 등급을 기억했던 2)을 갖는 clocksource 구조체인 경우, 이름- hpet 및 read_hpet 콜백은 원자 카운터 판독 고정밀 이벤트 타이머에서 제공합니다:

static struct clocksource clocksource_hpet = {
    .name        = "hpet",
    .rating        = 250,
    .read        = read_hpet,
    .mask        = HPET_MASK,
    .flags        = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
    .resume        = hpet_resume_counter,
    .archdata    = { .vclock_mode = VCLOCK_HPET },
};

clocksource_hpet이 등록되면 arch/x86/kernel/time.c 소스 코드 파일에서 hpet_time_init ()함수로 돌아갈 수 있습니다. 마지막 단계는 다음을 호출한다는 것을 기억할 수 있습니다:

setup_default_timer_irq();

hpet_time_init ()의 함수. setup_default_timer_irq 함수는 레거시 IRQ의 존재를 확인하거나 다른 말로 i8259에 대한 지원 및 설정 IRQ0에 따라 달라집니다.

그게 다 입니다. 이 순간부터 Linux 커널 clock source 프레임 워크에 등록 된 High Precision Event Timer 클럭 소스는 read_hpet을 통해 일반 커널 코드에서 사용될 수 있습니다:

static cycle_t read_hpet(struct clocksource *cs)
{
    return (cycle_t)hpet_readl(HPET_COUNTER);
}

Main Counter Register에서 원자 카운터를 읽고 반환하는 함수.

ACPI PM 타이머

초 클럭 소스는 ACPI 전원 관리 타이머 입니다. 이 클럭 소스의 구현은 drivers/clocksource/acpi_pm.c 소스 코드 파일에 있으며 fs initcall 동안 init_acpi_pm_clocksource 함수의 호출에서 시작합니다.

init_acpi_pm_clocksource함수의 구현을 살펴보면, pmtmr_ioport변수의 값을 확인하는 것으로 시작한다는 것을 알 수 있습니다:

static int __init init_acpi_pm_clocksource(void)
{
    ...
    ...
    ...
    if (!pmtmr_ioport)
        return -ENODEV;
    ...
    ...
    ...

이 pmtmr_ioport 변수는 전원 관리 타이머 제어 레지스터 블록의 확장 주소를 포함합니다. arch/x86/kernel/acpi/boot.c 소스 코드 파일에 정의 된acpi_parse_fadt 함수에서 값을 가져옵니다. 이 함수는 FADT 또는 고정 ACPI 설명 테이블 ACPI 테이블을 구문 분석하고 일반 주소 구조체 형식에 표시된 전원 관리 타이머 제어 레지스터 블록의 확장 주소를 포함하는 X_PM_TMR_BLK필드의 값을 가져 오려고 시도합니다:

static int __init acpi_parse_fadt(struct acpi_table_header *table)
{
#ifdef CONFIG_X86_PM_TIMER
        ...
        ...
        ...
        pmtmr_ioport = acpi_gbl_FADT.xpm_timer_block.address;
        ...
        ...
        ...
#endif
    return 0;
}

따라서 CONFIG_X86_PM_TIMER Linux 커널 구성 옵션이 비활성화되었거나 acpi_parse_fadt 기능에서 문제가 발생하면 Power Management Timer 레지스터에 액세스 할 수 없으며 init_acpi_pm_clocksource에서 돌아올 수 없습니다. 다른 방법으로, pmtmr_ioport변수의 값이 0이 아닌 경우이 타이머의 속도를 확인하고 다음을 호출하여 이 클럭 소스를 등록합니다:

clocksource_register_hz(&clocksource_acpi_pm, PMTMR_TICKS_PER_SEC);

기능. clocksource_register_hs를 호출 한 후 acpi_pm 클럭 소스는 Linux 커널의 clocksource 프레임 워크에 등록됩니다:

static struct clocksource clocksource_acpi_pm = {
    .name        = "acpi_pm",
    .rating        = 200,
    .read        = acpi_pm_read,
    .mask        = (cycle_t)ACPI_PM_MASK,
    .flags        = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
};

acpi_pm 클럭 소스가 제공하는 원자 카운터를 읽기 위한 200 및 acpi_pm_read 콜백 등급. acpi_pm_read 함수는 read_pmtmr 함수를 실행합니다:

static cycle_t acpi_pm_read(struct clocksource *cs)
{
    return (cycle_t)read_pmtmr();
}

전원 관리 타이머 레지스터 값을 읽는다. 이 레지스터의 구조체는 다음과 같습니다:

+-------------------------------+----------------------------------+
|                               |                                  |
|  upper eight bits of a        |      running count of the        |
| 32-bit power management timer |     power management timer       |
|                               |                                  |
+-------------------------------+----------------------------------+
31          E_TMR_VAL           24               TMR_VAL           0

이 레지스터의 주소는 고정 된 ACPI 설명 테이블 ACPI 테이블에 저장되어 있으며 이미 pmtmr_ioport에 있습니다. 따라서 read_pmtmr함수의 구현은 매우 쉽습니다:

static inline u32 read_pmtmr(void)
{
    return inl(pmtmr_ioport) & ACPI_PM_MASK;
}

전원 관리 타이머 레지스터의 값을 읽고 24비트를 마스크합니다.

그게 다 입니다. 이제 이 파트의 마지막 클럭 소스 인 Time Stamp Counter로 이동합니다.

타임 스탬프 카운터

이 파트의 세 번째이자 마지막 클럭 소스는 - Time Stamp Counter 클럭 소스이며 그 구현은 arch/x86/kernel/tsc.c 소스 코드 파일에 있습니다. 우리는 이미이 부분에서 x86_late_time_init 함수를 보았고 Time Stamp Counter의 초기화는 여기서 시작됩니다. 이 함수는 arch/x86/kernel /tsc.c 소스 코드 파일에서 tsc_init () 함수를 호출합니다.

tsc_init 함수의 시작 부분에서 check는 프로세서가 Time Stamp Counter를 지원하는지 확인하는 것을 볼 수 있습니다:

void __init tsc_init(void)
{
    u64 lpj;
    int cpu;

    if (!cpu_has_tsc) {
        setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_TSC_DEADLINE_TIMER);
        return;
    }
    ...
    ...
    ...

cpu_has_tsc 매크로는 cpu_has 매크로의 호출로 확장됩니다:

#define cpu_has_tsc        boot_cpu_has(X86_FEATURE_TSC)

#define boot_cpu_has(bit)    cpu_has(&boot_cpu_data, bit)

#define cpu_has(c, bit)                            \
    (__builtin_constant_p(bit) && REQUIRED_MASK_BIT_SET(bit) ? 1 :    \
     test_cpu_cap(c, bit))

초기 리눅스 커널 초기화 동안 채워지는 boot_cpu_data 배열에서 주어진 비트 (이 경우 X86_FEATURE_TSC_DEADLINE_TIMER)를 검사합니다. 프로세서가 타임 스탬프 카운터를 지원하는 경우 Model Specific Register와 같은 다른 소스에서 주파수를 얻으려고하는 동일한 소스 코드 파일에서 calibrate_tsc 함수를 호출하여 Time Stamp Counter의 주파수를 얻습니다. 프로그램 간격 타이머 등을 통해 교정 그런 다음 시스템의 모든 프로세서에 대한 주파수 및 스케일 팩터를 초기화합니다:

tsc_khz = x86_platform.calibrate_tsc();
cpu_khz = tsc_khz;

for_each_possible_cpu(cpu) {
    cyc2ns_init(cpu);
    set_cyc2ns_scale(cpu_khz, cpu);
}

첫 번째 부트 스트랩 프로세서만 tsc_init를 호출하기 때문입니다. 그런 다음 조건 Time Stamp Counter가 비활성화되어 있지 않은지 확인하십시오:

if (tsc_disabled > 0)
    return;
...
...
...
check_system_tsc_reliable();

부트 스트랩 프로세서에 X86_FEATURE_TSC_RELIABLE 기능이 있는 경우 tsc_clocksource_reliable을 설정하는 check_system_tsc_reliable 함수를 호출하십시오. 우리는 tsc_init 함수를 겪었지만 클럭 소스를 등록하지는 않았습니다. Time Stamp Counter 클럭 소스의 실제 등록은 다음에서 발생합니다:

static int __init init_tsc_clocksource(void)
{
    if (!cpu_has_tsc || tsc_disabled > 0 || !tsc_khz)
        return 0;
    ...
    ...
    ...
    if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_TSC_RELIABLE)) {
        clocksource_register_khz(&clocksource_tsc, tsc_khz);
        return 0;
    }

함수. 이 함수는 device initcall 중에 호출되었습니다. 타임 스탬프 카운터 클럭 소스는 고정밀 이벤트 타이머 클럭 소스 다음에 등록 되도록 해야 합니다.

이 3 개의 클럭 소스가 모두 clocksource프레임 워크에 등록되고 Time Stamp Counter클럭 소스가 다른 클럭 소스 중에서 가장 높은 등급을 갖기 때문에 활성으로 선택됩니다:

static 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 },
};

그게 다 입니다.

결론

이것은 리눅스 커널에서 타이머와 타이머 관리 관련 내용을 설명하는 chapter의 여섯 번째 부분의 끝입니다. 이전 부분에서는 clockevents프레임 워크에 대해 알게되었습니다. 이 부분에서 우리는 리눅스 커널에서 시간 관리 관련 내용을 계속 배우고 x86 아키텍처에서 사용되는 약 3 가지의 다른 클럭 소스를 보았습니다. 다음 부분은 이 chapter의 마지막 부분이며 몇 가지 사용자 공간 관련 내용, 즉 시간 관련 시스템 호출은 Linux 커널에서 구현되었습니다.

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