Библиотека сайта rus-linux.net
| Цилюрик О.И. Модули ядра Linux | ||
| Назад | Внутренние механизмы ядра | Вперед |
Информация о времени в ядре
Сложность подсистемы времени усугубляется тем, что для повышения точности или функциональности API времени, разработчики привлекают несколько разнородных и не синхронизированных источников временных меток (все, которые позволяет та или иная аппаратная платформа). Точный набор набор таких дополнительных возможностей определяется аппаратными возможностями самой платформы, более того, на одной и той же архитектурной платформе, например, x86 набор и возможности задатчиков времени обновляются с развитием и изменяются каждые 2-3 года, а, соответственно, изменяется всё поведение в деталях подсистемы времени. Но какие бы не были платформенные или архитектурные различия, нужно отчётливо разделять обязательный в любых условиях системный таймер и дополнительные источники информации времени в системе. Всё относящееся к системному таймеру является основой функционирования Linux и не зависит от платформы, все остальные альтернативные возможности являются зависимыми от реализации на конкретной платформе.
Ядро следит за течением времени с помощью прерываний системного таймера. Прерывания таймера генерируются аппаратно через постоянные интервалы системным таймером; этот интервал программируется во время загрузки Linux записью соответствующего коэффициента в аппаратный счётчик-делитель. Делается это в соответствии со одной из самых фундаментальных констант ядра — константы периода компиляции (определённой директивой #defined) с именем HZ (tick rate). Значение этой константы, вообще то говоря, является архитектурно-зависимой величиной, определено оно в <linux/param.h>, значения по умолчанию в исходных текстах ядра имеют диапазон от 50 до 1200 тиков в секунду на различном реальном оборудовании, снижаясь до 24 в программных эмуляторах. Но для большинства платформ для ядра 2.6 выбраны значения HZ=1000, что соответствует периоду следования системных тиков в 1 миллисекунду — это достаточно мало для обеспечения хорошей динамики системы, но очень много в сравнении с временем выполнения единичной команды процессора. По прерыванию системного таймера происходят все важнейшие события в системе:
- Обновление значения времени работы системы (uptime), абсолютного времени (time of day);
- Проверка, не израсходовал ли текущий процесс свой квант времени, и если израсходовал, то выполнятся планирование выполнения нового процесса;
- Для SMP-систем выполняется проверка балансировки очередей выполнения планировщика, и если они не сбалансированы, то производится их балансировка;
- Выполнение обработчиков всех созданных динамических таймеров, для которых истек период времени;
- Обновление статистики по использованию процессорного времени и других ресурсов.
Снижение периода следования системных тиков обеспечивает лучшие динамические характеристики системы (например, в системе реального времени QNX период следования системных тиков может быть ужат до 10 микросекунд), но ниже какого-то предела уменьшение значения этого периода начинает значительно снижать общую производительность операционной системы (возрастают непроизводительные расходы на обслуживание частых прерываний).
Источник прерываний системного таймера
Источник прерываний системного таймера (определяющий последовательность тиков частоты HZ, и подсчитываемых в счётчике jiffies) — аппаратная микросхема системного таймера. В архитектуре x86 задатчиком есть микросхема по типу Intel 82C54, работающая от отдельного кварца стандартизованной частоты 1.1931816Мгц; далее эта частот делится на целочисленный делитель, записываемый в регистры 82C54.
$ cat /proc/interrupts
CPU0 0: 5737418 XT-PIC timer ... 8: 1 XT-PIC rtc
При выбранном значении делителя 1193 обеспечивается частота последовательности прерываний таймера максимально близкой к выбранному в заголовочной файле <linux/param.h> значению HZ — 1000.152hz, что соответствует периоду (ticksize) 999847нс (рассогласование с 1мс составляет -0,0153%).
Примечание: ближайшее соседнее значение делителя 1194 даёт частоту и период 999.314hz и 1000680нс (рассогласование с 1мс составляет +0,068%), соответственно, но всегда используется значение периода с недостатком, в противном случае задержка, величина которой определена как:
struct timespec ts = { 0 /* секунды */, 1000500 /* наносекунды */ };
- могла бы (при некоторых прогонах) завершиться на первом тике, что противоречит требованиям POSIX 1003b о том, что временной интервал может быть больше, но ни в коем случае не меньше указанного!
Тот же принцип формирования периода системных тиков соблюдается и на любой другой аппаратной платформе, на которой выполняется Linux: целочисленный делитель счётчика, задающий максимальное приближенное аппаратное значения частоты к выбранному значению константы HZ с избытком (то есть период системного таймера с недостатком к значению 1/HZ). Это будет существенно важно для толкования полученных нами вскорости результатов тестов.
Дополнительные источники информации о времени
Кроме системного таймера, в системе может быть (в большой зависимости от процессорной архитектуры и степени развитости этой архитектуры, для процессоров х86, например) ещё несколько источников событий для временной шкалы: часы реального времени (RTC), таймеры контроллеров прерываний APIC, специальные счётчики процессорных тактов и другие. Эти источники временных шкал могут использоваться для уточнения значений интервалов системного таймера. С развитием и расширением возможностей любой аппаратной платформы, разработчики ядра стараются подхватить и использовать любые новые появившиеся аппаратные механизмы. Связано это желание с тем, что, как уже было сказано, стандартный период системного таймера чрезвычайно велик (но 2 порядка и более) времени выполнения единичной команды процессора - в масштабе времён выполнения команд период системного таймера очень большая величина, и интервальные значения, измеренные в шкале системных тиков, пытаются разными способами уточнить с привлечением дополнительных источников. Это приводит к тому, что близкие версии ядра на однотипном оборудовании разных лет изготовления могут использовать существенно различающиеся точности для оценивания временных интервалов:
- 2-х ядерный ноутбук уровня 2007г. :
$ cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1 0: 3088755 0 IO-APIC-edge timer ... 8: 1 0 IO-APIC-edge rtc0 ... LOC: 2189937 2599255 Local timer interrupts ... RES: 1364242 1943410 Rescheduling interrupts
$ uname -r
2.6.32.9-70.fc12.i686.PAE
- 4-х ядерный поцесор образца 2011г. :
$ cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1 CPU2 CPU3 0: 127 0 0 0 IO-APIC-edge timer ... 8: 0 0 0 0 IO-APIC-edge rtc0 ... LOC: 460580288 309522125 2269395963 161407978 Local timer interrupts ... RES: 919591 983178 315144 626188 Rescheduling interrupts
$ uname -r
2.6.35.11-83.fc14.i686
В общем виде это выглядит так: если на каком-то конкретном компьютере обнаружен тот или иной источник информации времени, то он будет использоваться для уточнения интервальных значений, если нет — то будет шкала системных тиков. Это означает, что на подобных экземплярах оборудования (различных экземплярах x86 десктопов, например, как наиболее массовых) один и тот же код, работающий с API времени, будет давать различные результаты (что очень скоро мы увидим).
Три класса задач во временной области.
Существуют три класса задач, решаемых по временной области, это :
- Измерение временных интервалов;
- Выдержка пауз во времени;
- Отложенные во времени действия.
В отношении задач каждого класса существуют свои ограничения, возможности использования дополнительных источников уточнения информации о времени и, как следствие, предельное временное разрешение, которое может быть достигнуто в каждом классе задач. Например, отложенные во времени действия (действия, планируемые по таймерам), чаще всего, привязываются к шкале системных тиков (тем же точкам во времени, где происходит и диспетчирование выполняемых потоков системой) — разрешение такой шкалы соответствует системным тикам, и это миллисекундный диапазон. Напротив, пассивное измерение временного интервала между двумя точками отсчёта в коде программы, вполне может основываться на таких простейших механизмах, как считанные значения счётчика тактовой частоты процессора, а это может обеспечивать разрешение шкалы времени в наносекундном диапазоне. Разница в разрешении между двумя рассмотренными случаями — 6 порядков!
| Предыдущий раздел: | Оглавление | Следующий раздел: |
| Время: измерение и задержки | Измерения временных интервалов |