硬件架構(gòu)

從硬件架構(gòu)圖中可以看出以下特點(diǎn)：

• 每個(gè) CPU 核都包含各自的 local timer，相互獨(dú)立。
• 每個(gè) local timer 都支持中斷的產(chǎn)生，中斷類(lèi)型為 PPI，即 CPU 的私有中斷，GIC 負(fù)責(zé)分發(fā)到指定的 CPU，這些中斷都可以用來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)事件。local timer的中斷為以下四種：

     1.Secure Physical Timer event (ID 29，也就是上面device node中的13，29 = 16 + 13)

     2.Non-secure Physical Timer event (ID 30，也就是上面device node中的14，30 = 16 + 14)

     3.Virtual Timer event (ID 27)

     4.Hypervisor Timer event (ID 26)

• 系統(tǒng)中存在一個(gè) always-powered 的域，這個(gè)域提供一個(gè) system counter，所有 core 的定時(shí)器都是基于這個(gè) system counter 提供的 counter 值，因此理論上所有的 local timer 都是基于同樣的時(shí)間基準(zhǔn)。
• 為什么要強(qiáng)調(diào) system counter 是 always powered，而且要獨(dú)立出來(lái)，這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)運(yùn)行期間某些 core 為了節(jié)能可能進(jìn)入睡眠狀態(tài)，local timer 可能也會(huì)因此被關(guān)閉，但是系統(tǒng)的時(shí)間戳不能丟，以便在特定的時(shí)間喚醒 CPU，而且在喚醒之后還能獲得正確的時(shí)間。同時(shí)，system counter 也支持休眠模式，它的休眠不是關(guān)閉，而是降頻，通常情況下該 timer 的頻率是 1~50MHz，假設(shè)是以 10MHz 運(yùn)行，將其降到 1MHz，那么，system counter 每次運(yùn)行時(shí) counter 不再是加1，而是加 10，這樣就不會(huì)丟失時(shí)間精度。
• system counter 的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為:

     1.至少 56 bits 的寬度。

     2.頻率在 1-50MHz。

     3.溢出時(shí)間至少在 40 年。

     4.arm 沒(méi)有對(duì)精度做出特別要求，不過(guò)最低的建議值為24小時(shí), 誤差不超過(guò) 10s。

     5.從 0 開(kāi)始計(jì)數(shù)，正常情況下每一個(gè)時(shí)鐘脈沖加1，節(jié)能模式下除外。

• system counter 可以被所有 core 訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)總線(xiàn)地址映射的方式，而 local timer 由對(duì)應(yīng)的 CPU core 訪(fǎng)問(wèn)，訪(fǎng)問(wèn)方式則是通過(guò)操作 CP15 協(xié)處理器。

軟件架構(gòu)

1. 最底層是硬件和驅(qū)動(dòng)層，每個(gè)cpu core都有自己的cpu local timer，此外SOC內(nèi)部肯定會(huì)有一個(gè)用于全局的global counter。
2. 中間層是linux內(nèi)核層，內(nèi)核抽象出了時(shí)鐘源(clocksource), 時(shí)鐘事件設(shè)備(clock_event_device), tick設(shè)備(tick_device)用于時(shí)間管理。分為左右兩部分:

• 右邊實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。linux內(nèi)核有各種time line, 包括real time clock, monotonic clock, monotonic raw clock等。clocksource提供了一個(gè)單調(diào)增加的計(jì)時(shí)器產(chǎn)生tick，為timeline提供時(shí)鐘源。timekeeper是內(nèi)核提供時(shí)間服務(wù)的基礎(chǔ)模塊，負(fù)責(zé)選擇并維護(hù)最優(yōu)的clocksource。
• 左邊實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。clock event管理可產(chǎn)生event或是觸發(fā)中斷的定時(shí)器，(一般而言，每個(gè)CPU形成自己的一個(gè)小系統(tǒng)，也就要管理自己的clock event。）tick device是基于clock event設(shè)備進(jìn)行工作的，cpu管理自己的調(diào)度、進(jìn)程統(tǒng)計(jì)等是基于tick設(shè)備的。低精度timer和高精度timer都是基于tick device生成的定時(shí)器設(shè)備，關(guān)于它們的事件和周期信號(hào)的關(guān)系在上面的圖中有一個(gè)大體的介紹。

3. 最上層是linux應(yīng)用層?；趖imekeeping設(shè)備的是時(shí)間管理的庫(kù)time lib，基于定時(shí)器設(shè)備的是定時(shí)管理的庫(kù)timer lib。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• clocksource：來(lái)自系統(tǒng)計(jì)時(shí)的需求，換句話(huà)說(shuō)系統(tǒng)需要知道現(xiàn)在是xx年xx月xx日xx時(shí)xx分xx秒xx納秒。

local timer 的 clocksource 相關(guān)的配置信息：

static struct clocksource clocksource_counter = {
 .name = "arch_sys_counter",
 .rating = 400,
 .read = arch_counter_read,
 .mask = CLOCKSOURCE_MASK(56),
 .flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
};

• clock_event_device：來(lái)自系統(tǒng)定時(shí)的需求（即 timer）。即從當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，到xxx納秒之后通知我做某些事情。

local timer 的 clock_event_device 相關(guān)的配置信息：

static void __arch_timer_setup(unsigned type,
          struct clock_event_device *clk)
{
 clk->features = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT;

 if (type == ARCH_TIMER_TYPE_CP15) {
  if (arch_timer_c3stop)
   clk->features |= CLOCK_EVT_FEAT_C3STOP;
  clk->name = "arch_sys_timer";
  clk->rating = 450;
  clk->cpumask = cpumask_of(smp_processor_id());
  clk->irq = arch_timer_ppi[arch_timer_uses_ppi];
  switch (arch_timer_uses_ppi) {
    ......
  case ARCH_TIMER_PHYS_NONSECURE_PPI:
  case ARCH_TIMER_HYP_PPI:
   clk->set_state_shutdown = arch_timer_shutdown_phys;
   clk->set_state_oneshot_stopped = arch_timer_shutdown_phys;
   clk->set_next_event = arch_timer_set_next_event_phys;
   break;
  default:
   BUG();
  }
}

system counter 的 clock_event_device 相關(guān)的配置信息如下所示，充當(dāng)硬件timer，當(dāng)CPU進(jìn)入idle后用來(lái)喚醒CPU。

static struct clock_event_device clockevent_sysctr = {
 .name   = "i.MX system counter timer",
 .features  = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT | CLOCK_EVT_FEAT_DYNIRQ,
 .set_state_oneshot = sysctr_set_state_oneshot,
 .set_next_event  = sysctr_set_next_event,
 .set_state_shutdown = sysctr_set_state_shutdown,
 .rating   = 200,
};

• tick_device 是 clock_event_device 的子類(lèi)。

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

tick device的工作模式定義如下：

enum tick_device_mode {
    TICKDEV_MODE_PERIODIC,
    TICKDEV_MODE_ONESHOT,
};

static struct tick_device tick_broadcast_device;

local timer 驅(qū)動(dòng)

system counter 驅(qū)動(dòng)

system counter 驅(qū)動(dòng)

當(dāng)沒(méi)有進(jìn)程調(diào)度到該 CPU 上執(zhí)行的時(shí)候，swapper進(jìn)程會(huì)將該 CPU 推入到 idle 狀態(tài)。當(dāng) CPU 睡的時(shí)候，有可能會(huì)關(guān)閉 local timer 硬件。這就會(huì)導(dǎo)致 local timer 將無(wú)法喚醒 CPU。

為了在 CPU 進(jìn)入 idle 后還能被喚醒，有兩種方案，一種是通過(guò)hrtimer的軟件方案，還有一種是硬件方案。這里只講述硬件方案，一般采用 alway-on 的硬件 timer 作為喚醒源，它不屬于任何 CPU，使用 SPI 類(lèi)型的中斷來(lái)喚醒 CPU，處理軟件 timer。