[发明专利]一种使用混合时钟源的计时方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用混合时钟源的计时方法，属于计算机操作系统领域。

背景技术

操作系统是计算机的管理者，作为管理者，操作系统需要维护时间，即计时（timekeeping）。计时最基本的功能是获取“当前时间”（Time Of Day，简称TOD），而进程调度、软件定时器、性能采样统计、网络时间协议（NTP）等诸多操作系统功能都是建立在TOD概念之上的。

计时功能的实现依赖于硬件上的“时钟源”设备。为了更清晰的表达，先将相关概念罗列如下：

无节拍/周期性时钟模式：周期性（Periodic）模式是传统的计时模式，在这种模式下，硬件时钟源周期性地发射时钟中断，作为计时的主要依据。在多核或多处理器系统（以下都简称为SMP系统）中，计时由零号CPU维护（多核系统中，假设总核数为N，则N个核的物理编号分别是从0到N-1，其中零号核称为启动核或主核，其他核称为非启动核或辅核）。无节拍（Tickless）模式也叫NOHZ，是一种比较新的计时模式，它的硬件时钟源不会发射周期性时钟中断，而是根据需要选择性发射。在SMP系统中，计时由各个CPU轮流维护。

ClockEvent/ClockSourse：ClockEvent是基于中断的时钟源（因此在SMP系统中，中断必须能够路由到每个CPU核），根据ClockEvent即可维护粗粒度（毫秒至微秒级步进幅度）时间。ClockSource是不需要中断的时钟源，由CPU主动读取其值，在粗粒度时间的基础上进行微调（可达微秒至纳秒级精度），取得精确的“当前时间”。ClockEvent是局部的（每个CPU都有一个），ClockSource是全局的（所有CPU共用一个）。

软件定时器：用于预定多久以后触发一个事件，依赖于ClockEvent，跟ClockSource无关。

Oneshot/Periodic时钟特征：描述硬件时钟源本身的特征，Oneshot是单发射特征，表示每进行一次编程只产生一次时钟中断，Periodic是周期性特征，表示一次编程可以连续周期性地产生中断。如果系统使用Periodic时钟模式，硬件具有Oneshot/Periodic特征中的任意一种即可满足需求；如果系统使用Tickless时钟模式，硬件必须具有Oneshot特征。

内部时钟源：通常在CPU内部，每个核都有一个，在每个核上都能产生中断，一般只具有Oneshot特征。例如，在龙芯CPU上，Count/Compare寄存器对就是一种内部时钟源（一般称为MIPS时钟源），其中断间隔与CPU频率有关。内部时钟源可以做为ClockEvent，但在多核环境下，要用内部时钟源做ClockSource就必须保证每个核的计数器同步。

外部时钟源：通常在CPU外部（如PIT、HPET等），同时具有Oneshot和Periodic特征，由于体系结构的限制，外部时钟源的中断不一定能路由到任意一个CPU核。外部时钟源的中断间隔与CPU频率无关。外部时钟源可以做为ClockSource，如果在中断路由上有所限制，那么只有在单核时才能做为ClockEvent。

计时的基本方式是：ClockEvent时钟源每隔固定长度的时间（周期）给系统发送一次时钟中断，每次中断称为一个节拍（tick），记录节拍的总数就可以得到粗粒度（粒度与一个节拍相当，通常为毫秒至亚毫秒级）的“当前时间”。若需要高精度的计时，就需要使用亚节拍技术，一般采用系统主动读取ClockSource时钟源计数器值的方式获取，将亚节拍技术得到的时间偏移量叠加在粗粒度时间上面，就可以获取精确的“当前时间”（粒度比节拍更细，通常为微秒至亚微秒级）。图1清楚地描述了本发明所提及的主要概念之间的关系。

在通常情况下，计时系统的ClockEvent和ClockSource会采用同一个时钟源，即要么都使用内部时钟源，要么都使用外部时钟源。但在多核系统上可能存在一些限制，如：