架构学习之通用定时器

 人与人之间的偏见和隔阂就如同一座大山，让人互相看不到真实的样子。OK，准备好plan B。

                                                                                                                                  ----- 佚名

本文翻译自文档Learn the architecture_Generic Timer。

1 Overview

        本文档介绍通用定时器，A系列PE的定时器框架。本文档介绍现代SOC中定时器框架的不同组件，并介绍对软件有用的编程接口。

        本文档的目标人群为基于ARM系统写低层软件进行初始化或使用timer的开发者。文档的使用者通常工作在低层代码。

        在文档的最后，你可以检查一下你的知识。你将学习到构成timer子系统的不同组件的名称和作用。你将能够在裸机上写代码建立起timer。你将能够基于实现的框架特性，描述哪个timer存在。

2 在开始之前

        我们假定你对ARM异常级别非常熟悉。如果不熟悉，你可以先阅读ARM v8-A Exception model指导。

        文档包括用C或汇编写的代码例子。如果你对ARM汇编语法不熟悉，可以阅读Arm v8-A Instruction Set Architecture。例子要求Arm Development Studio。如果你还没有它，可以下载一个评估版。

3 什么是通用定时器为

        通用定时器为Arm core提供标准定时器。通用定时器包括一个系统counter和一组每core定时器，如下图所示：

        系统counter为一直on的设备，它提供一个固定频率的系统计数。在系统中system count值对所有core都是广播的，让core对时间的流逝有共同的看法。系统计数值为56~64位，通常频率为1MHZ~50MHZ。

        NOTE：通用定时器仅测量时间的流逝。它不会报告时间或日期。通常一个SOC也为时间和日期包含一个RTC。

        每个core有一组timer。这些定时器是比较器，它们与系统计数器提供的广播系统计数进行比较。软件可以配置timer在将来某个点产生中断或event。软件也可以使用系统计数增加时间戳，因为系统计数对所有core提供公共参考点。

        在本指导中，我们将解释timer和系统计数器的操作和配置。

4 处理器定时器

        下图描述了处理器定时器：

计数和频率

        系统寄存器CNTPCT_EL0报告当前系统计数值。

        CNTPCT_EL0的读取可以被预测。这意味着它们可以被无序的读取。在某些情况下这特别重要，比如比较时间戳。当计数器读的时序很重要时，可以使用ISB，如下代码所示：

        CNTPCT_EL0报告系统计数的频率。但是，该寄存器不是由硬件进行populate。该寄存器在最高异常级别是可写的，在所有异常级别为可读。运行在EL3的firmware，初始化寄存器作为早期系统初始化的一部分。更多级别的软件，像OS，可以使用该寄存器获取频率。

定时器寄存器

        每个定时器有三个如下系统寄存器：

寄存器	作用
_CTL_EL	控制寄存器
_CVAL_EL	比较器值
_TVAL_EL	timer值

        在寄存器名中，表明访问哪个timer。下列表显示可能的值：

Timer	寄存器前缀	EL
EL1 physical timer	CNTP	EL0
EL1 virtual timer	CNTV	EL0
Non-secure EL2 physical timer	CNTHP	EL2
Non-secure EL2 virtual timer	CNTHV	EL2
EL3 physical timer	CNTPS	EL1
Secure EL2 physical timer	CNTHPS	EL2
Secure EL2 virtual timer	CNTHVS	EL2

        比如CNTP_CVAL_EL0为EL1 physical timer的比较器寄存器。

自测试

        EL3 physical timer和non-secure EL2 virtual timer的控制器寄存器名称是什么？

访问定时器

        对于一些定时器，可以配置哪些异常级别可以访问定时器：

        EL1 physical and virtual timer: EL0访问这些定时器由CNTKCTL_EL1控制。

        EL2 physical and virtual timer: 当HCR_EL2.{TGE,E2H}={1,1}时，EL0访问这些定时器由CNTKCTL_EL2控制。

        这些定时器作为支持Armv8.1-A Virtualization Host Extension的一部分被添加。哪个不在本文档中介绍？EL3 physical timer：S.EL1和S.EL2访问定时器由SCR_EL3.ST控制。

配置定时器

        这里有两种方式来配置定时器，或使用CVAL寄存器，或使用TVAL寄存器。

        比较器寄存器CVAL为64位寄存器。软件写值到这个寄存器，当计数达到或超过时，定时器触发，你将看到：

        定时器寄存器TVAL为32位寄存器。当软件写TVAL时，处理器读取当前系统计时，增加所写值，并populate CVAL:

        在软件中你可以看到CVAL的值。如果你读当前系统计数，写1000到TVAL，然后读取CVAL，你将看到CVAL为1000+系统计数。这个值是合适的，因为在指令时序时时间仍会前进。

        读回TVAL将它减少到0，但系统计时仍增加。TVAL报告一个signed值，将在定时器fire后将继续减少，这允许软件决定该定时器在多久之前fire。TVAL和CVAL给软件两种不同的方式如何使用定时器。如果软件需要在时钟的x ticks中需要一个定时器时，软件能写X到TVAL。相反，当系统计数达到y时如果软件想要一个event，软件写y到CVAL。

        记住TVAL和CVAL为两种不同方式对相同的定时器编程。它们非不同的定时器。

中断

        定时器可以被配置为产生一个中断。一个core定时器的中断仅能被传递给该core。这意味着一个core的定时器不能产生一个目标为不同core的中断。

        中断的产生由CTL寄存器控制，使用这些域：

1. ENABLE - 使能定时器
2. IMASK - 中断屏蔽。使能或禁用中断的产生
3. ISTATUS - 当ENABLE=1时，报告是否中断fire(CVAL <= 系统计数)

        为产生一个中断，软件必须设置ENABLE为1并清IMASK为0。当定时器fire（CVAL <= 系统计数）时，产生一个中断信号。在Armv8-A系统中，中断控制器通常为GIC。

        中断ID(INTID)用于由SBSA定义的每个定时器，如下：

Timer	SBSA推荐的INTID
EL1 physical timer	30
EL1 virtual timer	27
Non-secure EL2 physical timer	26
Non-secure EL2 virtual timer	28
EL3 physical timer	29
Secure EL2 physical timer	20
Secure EL2 virtual timer	19

        定时器产生的中断为电平敏感的方式。这意味着，一旦定时器fire条件满足时，定时器将持续产生中断，直到下列条件产生：

1. IMASK被设置为1，这将屏蔽中断
2. ENABLE被设置为0，这将禁用中断
3. TVAL或CVAL被写，因此fire条件不再满足

        当写定时器的中断handler时，软件在GIC中deactivate中断之前清除中断非常重要。否则GIC将重发相同的信号。

        GIC的操作和配置超出本文档的范围。

定时器虚拟化

        早期我们在一个处理器上引入不同的定时器。这些定时器被分成两组：virtual定时器和physical定时器。

        physical定时器，像EL3 physical timer, CNTPS, 与系统计数提供的计数值进行比较。该值被当作physical count，并由CNTPCT_EL0报告。

        virtual定时器，像EL1 virtual timer, CNTV，与虚拟计数进行比较。该虚拟计数值由下面来计算：

        偏移值由寄存器CNTVOFF_EL2指定，这仅由EL2或EL3访问。该配置由下图呈示：

 

        虚拟计数允许hypervisor将虚拟时间显示给虚拟机。比如，当虚拟机没有被调度到时，一个hypervisor可能使用offset隐藏流逝过的时间。这意味着虚拟计数由虚拟机的当前时间决定，而不是wall clock时间。

Event stream

        通用定时器也可以用于产生event stream，作为event机制的等待的一部分。WFE指令将core置于低功耗状态，可以通过event将core唤醒。

        WFE机制的细节不在本文档介绍范围。

        这里有几种方式产生event，包括：

1. 在不同的core上执行SEV指令（Send Event）
2. 清除core的Global Exclusive Monitor
3. 从core的通用定时器使用event stream

        通用定时器可以被配置以固定间隔产生一系列event。一个使用该配置产生超时。当等待资源有效时WFE通常会被使用，且当等待不会太久时。来自定时器的event stream意味着core保持在低功耗状态的最大时间达到。

        从physical count CNTPCT_EL0或从virtual count CNTPVT_EL0产生的event stream：

CNTKCTL_EL1 - 控制CNTVCT_EL0产生的event stream

 CNTKCTL_EL2 - 控制CNTPCT_EL0产生的event stream

        对于每个寄存器，控制如下：

1. EVENTEN使能或禁用event的产生
2. EVNTI控制event的速率
3. EVNTDIR控制何时产生event

        控制EVNTI指定0~15范围的bit位置。当在选择的位置的位修改，产生一个event。比如，如果EVNTI被设置为3时，当bit[3]的计数变化，产生一个event。

        控制EVNTDIR控制当选择位从1到0或从0到1时，是否产生event。

总结表

        该表总结本节讨论的不同定时器的信息：

定时器	寄存器	通常用于	trappable	使用counter	INTID
EL1 physical timer	CNTP_<>_EL0	EL0/EL1	EL2	CNTPCT_EL0	30
EL1 virtual timer	CNTHP_<>_EL2	NS.EL2		CNTPCT_EL0	27
Non-secure EL2 physical timer	CNTHPS_<>_EL2	S.EL2		CNTPCT_EL0	26
Non-secure EL2 virtual timer	CNTPS_<>_EL1	S.EL1/EL3	EL3	CNTPCT_EL0	28
EL3 physical timer	CNTV_<>_EL0	EL0/1		CNTPCT_EL0	29
Secure EL2 physical timer	CNTHV_<>_EL2	NS.EL2		CNTPCT_EL0	20
Secure EL2 virtual timer	CNTHVS_<>_EL2	S.EL2		CNTPCT_EL0	19

5 系统计数器

        在“什么是通用定时器”章节，我们介绍了系统计数器。系统计数器产生会发送给系统中所有core的系统计数值，如下图所示：

 

        SOC实现负责系统计数器的设计。通常，在系统启动时系统计数器要求做初始化。Arm为系统计数器提供推荐的寄存器接口，但你需要检查你的SOC实现获取详细实现。

        一个physical system count值被广播到所有core上。这意味着所有的core共享相同的流逝时间。考虑如下例子：

1. 设备A读取当前系统计数并将其作为时间戳添加到message中，然后将message发送给设备B；
2. 当设备B接受到message，它会比较时间戳和当前系统计数

        在这个例子中，设备B看到的系统计数值不可能比message中时间戳更早。

        系统计数器测量真实时间。这意味着它不会被电源管理技术如DVFS或将core置于低功耗状态。计数必须以固定频率继续增加。实际上，这要求系统计数器一直处于开启的电源域。

        为了节省电源，系统计数器可以修改速率来更新计数。比如，系统计数器可以以每10个tick更新计数。当连接的core处于低功耗状态时这非常有用。系统计数仍需要反映时间的推进，但电源可以通过广播更少计时更新达到节省的目的。

Counter scale

        将系统计数进行缩放的选项在Armv8.4-A引入的。代替时钟的每个tick增加一，计数可以每次增加x，在系统初始化时软件配置x。该特性允许计数有效的更快或更慢增加计数。

        为了支持缩放，系统计时器内部将计数器值扩展到88位，如你所看到下图所示：

        计数是由88位固定值表示，其中64位为整数部分，24位为分数部分。计数的整数部分由连接的处理器的CNTPCT_EL0报告。分数部分被内部的系统计数器使用。

        增量部分来自32位称为CNTSCR的寄存器，它的格式如下所示：

        增加值分成8位的整数部分和24位的分数部分。

        当缩放被使能，每次tick时计数增加CNTSCR。比如，如果CNTSCR被设置为0x01800000， 这意味着每次tick时计数增加1.5（其中整数部分0x1，分数部分为0x800000）。这由下表表示：

tick	内部计数器值 整数部分/分数部分	呈现的计数器值 通过CNTPCT_EL0可见
0	0x0000_0000_0000_0000_0000_00	0x0000_0000_0000_0000
1	0x0000_0000_0000_0001_8000_00	0x0000_0000_0000_0001
2	0x0000_0000_0000_0003_0000_00	0x0000_0000_0000_0003
3	0x0000_0000_0000_0004_8000_00	0x0000_0000_0000_0004
4	0x0000_0000_0000_0006_0000_00	0x0000_0000_0000_0006
5	0x0000_0000_0000_0007_8000_00	0x0000_0000_0000_0007
6	0x0000_0000_0000_0009_0000_00	0x0000_0000_0000_0009

        当系统计时器被禁用时也可以配置缩放。当计数器正在运行时，修改缩放使用或禁用，或缩放因子，它会导致不可知的计数值返回。

基础编程

        在本节假定系统计时器实现了Arm推荐的寄存器接口。

        系统计数器提供两个寄存器组：CNTControlBase和CNTReadBase。

        寄存器组CNTControlBase用于配置系统计数器，且它可以安全访问支持trustzone的系统。寄存器组中的寄存器如下表所示：

寄存器	描述
CNTCR	控制寄存器，包括： 计数器使能 计数器缩放使能 更新频率选择 Halt-on-debug控制
CNTSCR	当使能缩放时增加值
CNTID	ID寄存器，报告哪些特性被实现
CNTSR	状态寄存器。报告定时器是运行还是停止
CNTCV	报告当前计数值。 返回计数的整数部分
CNTFID	报告有效的更新频率

        为了使能系统计数器，软件必须选择一个更新的频率并设置计数器使能。

        CNTReadBase为仅包含CNTCV寄存器的CNTControlBase的拷贝。这意味着CNTReadBase仅报告当前系统计数值。但不像CNTControlBase，CNTReadBase可以访问非安全访问。这意味着非安全软件可以读取当前计数，但不能配置系统计时器。

6 外部定时器

        在“什么是通用计时器”章节，我们介绍了在处理器中的定时器。系统也可以包含额外的外部定时器。下图描述了一个例子：

 

        这些定时器的编程接口为内部定时器的镜像，但这些定时器通过内存映射寄存器被访问。这些寄存器的位置由SOC实现决定，并由你工作的SOC数据手册报告。

来自外部内存映射的定时器的中断通常以共享外设中断SPI传递。