Разработка ядра Linux - Роберт Лав

/* выполним некоторые действия и проверим, не слишком ли это много

   заняло времени ... */

if (timeout < jiffies) {

 /* мы превысили лимит времени — это ошибка ... */

} else {

 /* мы не превысили лимит времени — это хорошо ... */

}

Назначение этого участка кода — установить лимит времени до наступления некоторого события в будущем, а точнее полсекунды от текущего момента. Код может продолжить выполнение некоторой работы — возможно, записать некоторые данные в аппаратное устройство и ожидать ответа. После выполнения, если весь процесс превысил лимит установленного времени, код соответственным образом обрабатывает ошибку.

В данном примере может возникнуть несколько потенциальных проблем, связанных с переполнением. Рассмотрим одну из них. Что произойдет, если переменная jiffies переполнится и снова начнет увеличиваться с нуля после того, как ей было присвоено значение переменной timeout? При этом условие гарантированно не выполнится, так как значение переменной jiffies будет меньше, чем значение переменной timeout, хотя логически оно должно быть больше. По идее значение переменной jiffies должно быть огромным числом, всегда большим значения переменной timeout. Так как эта переменная переполнилась, то теперь ее значение стало очень маленьким числом, которое, возможно, отличается от нуля на несколько импульсов таймера. Из-за переполнения результат выполнения оператора if меняется на противоположный!

К счастью, ядро предоставляет четыре макроса для сравнения двух значений счетчика импульсов таймера, которые корректно обрабатывают переполнение счетчиков. Они определены в файле <linux/jiffies.h> следующим образом.

#define time_after(unknown, known) ((long)(known) - (long)(unknown) < 0)

#define time_before(unknown, known)

 ((long) (unknown) - (long) (known) < 0)

#define time_after_eq(unknown, known)

 ((long)(unknown) - (long) (known) >= 0)

#define

 time_before_eq(unknown, known) ((long)(known) - (long) (unknown) >= 0)

Параметр unknown — это обычно значение переменной jiffies, а параметр known — значение, с которым его необходимо сравнить.

Макрос time_after(unknown, known) возвращает значение true, если момент времени unknown происходит после момента времени known, в противном случае возвращается значение false. Макрос time_before(unknown, known) возвращает значение true, если момент времени unknown происходит раньше, чем момент времени known, в противном случае возвращается значение false. Последние два макроса работают аналогично первым двум, за исключением того, что возвращается значение "истинно", если оба параметра равны друг другу.

Версия кода из предыдущего примера, которая предотвращает ошибки, связанные с переполнением, будет выглядеть следующим образом.

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* значение лимита времени

                                           равно 0.5 с */

/* выполним некоторые действия и проверим, не слишком ли это много

   заняло времени ... */

if (time_after(jiffies, timeout}) {

 /* мы превысили лимит времени — это ошибка ... */

} else {

 /* мы не превысили лимит времени — это хорошо ... */

}

Если любопытно, каким образом эти макросы предотвращают ошибки, связанные с переполнением, то попробуйте подставить различные значения параметров. А затем представьте, что один из параметров переполнился, и посмотрите, что при этом произойдет.

Пространство пользователя и параметр HZ

Раньше изменение параметра НZ приводило к аномалиям в пользовательских программах. Это происходило потому, что значения параметров, связанных со временем, экспортировались в пространство пользователя в единицах, равных количеству импульсов системного таймера в секунду. Так как такой интерфейс использовался давно, то в пользовательских приложениях считалось, что параметр HZ имеет определенное конкретное значение. Следовательно, при изменении значения параметра HZ изменялись значения, которые экспортируются в пространство пользователя, в одинаковое число раз. Информация о том, во сколько раз изменились значения, в пространство пользователя не передавалась! Полученное от ядра значение времени работы системы могло интерпретироваться как 20 часов, хотя на самом деле оно равнялось только двум часам.

Чтобы исправить это, код ядра должен нормировать все значения переменной jiffies, которые экспортируются в пространство пользователя. Нормировка реализуется путем определения константы USER_HZ, равной значению параметра HZ, которое ожидается в пространстве пользователя. Так как для аппаратной платформы x86 значение параметра HZ исторически равно 100, то значение константы USER_HZ=100. Макрос jiffies_to_clock_t() используется для нормировки значения счетчика импульсов системного таймера, выраженного в единицах HZ, в значение счетчика импульсов, выраженное в единицах USER_HZ. Используемый макрос зависит от того, кратны ли значения параметров HZ и USER_HZ один другому. Если кратны, то этот макрос имеет следующий очень простой вид.

#define jiffies_to_clock_t(x) ((x) / (HZ / USER_HZ))

Если не кратны, то используется более сложный алгоритм.

Функция jiffies_64_to_clock_t() используется для конвертирования 64-битового значения переменной jiffies из единиц HZ в единицы USER_HZ.

Эти функции используются везде, где значения данных, выраженных в единицах числа импульсов системного таймера в секунду, должны экспортироваться в пространство пользователя, как в следующем примере.

unsigned long start = jiffies;

unsigned long total_time;

/* выполнить некоторую работу ... */

total_time = jiffies - start;

printk("Это заняло %lu импульсов таймераn",

 jiffies_to_clock_t(total_time));

В пространстве пользователя передаваемое значение должно быть таким, каким оно было бы, если бы выполнялось равенство HZ=USER_HZ. Если это равенство не справедливо, то макрос выполнит нужную нормировку и все будут счастливы. Конечно, этот пример несколько нелогичный: больше смысла имело бы печатать значение времени не в импульсах системного таймера, а в секундах следующим образом.

printk("Это заняло %lu секундn", total time / HZ);

Аппаратные часы и таймеры

Различные аппаратные платформы предоставляют два аппаратных устройства, которые помогают вести учет времени, — это системный таймер, о котором уже было рассказано, и часы реального времени. Реализация и поведение этих устройств могут быть различными для машин разного типа, но общее их назначение и принципы работы с ними почти всегда одинаковы.

Часы реального времени

Часы реального времени (real-time clock, RTC) представляют собой энергонезависимое устройство для сохранения системного времени. Устройство RTC продолжает отслеживать время, даже когда система отключена, благодаря небольшой батарее, которая обычно находится на системной плате. Для аппаратной платформы PC устройство RTC интегрировано в КМОП-микросхему BIOS. При этом используется общая батарея и для работы устройства RTC и для сохранения установок BIOS.

При загрузке ядро считывает информацию из устройства RTC и использует ее для инициализации значения абсолютного времени, которое хранится в переменной xtime. Обычно ядро не считывает это значение снова, однако для некоторых поддерживаемых аппаратных платформ, таких как x86, значение абсолютного времени периодически записывается в устройство RTC. Тем не менее, часы реального времени важны в первую очередь на этапе загрузки системы, когда инициализируется переменная xtime.

Системный таймер

Системный таймер играет более значительную роль для отслеживания хода времени ядром. Независимо от аппаратной платформы, идея, которая лежит в основе системного таймера, одна и та же — это обеспечение механизма управления прерываниями, которые возникают периодически с постоянной частотой. Для некоторых аппаратных платформ это реализуется с помощью электронных часов, которые генерируют колебания с программируемой частотой. В других аппаратных платформах используется декрементный счетчик (decrementer), куда можно записать некоторое начальное значение, которое будет периодически, с фиксированной частотой, уменьшаться на единицу, пока значение счетчика не станет равным нулю. Когда значение счетчика становится равным нулю, генерируется прерывание. В любом случае эффект получается один и тот же.

Для аппаратной платформы x86 главный системный таймер — это программируемый интервальный таймер (programmable interval timer, PIT). Таймер PIT существует на всех машинах платформы PC. Co времен операционной системы DOS он используется для управления прерываниями. Ядро программирует таймер PIT при загрузке, для того чтобы периодически генерировать прерывание номер нуль с частотой HZ. Этот таймер— простое устройство с ограниченными возможностями, но, тем не менее, хорошо выполняющее свою работу. Другие эталоны времени для аппаратной платформы x86 включают таймер APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller, расширенный программируемый контроллер прерываний) и счетчик отметок времени (TSC, Time Stamp Counter).