linux中的jiffies变量

linux HZ

Linux核心几个重要跟时间有关的名词或变数，底下将介绍HZ、tick与jiffies。

HZ

Linux核心每隔固定周期会发出timer interrupt (IRQ 0)，HZ是用来定义每一秒有几次timer interrupts。举例来说，HZ为1000，代表每秒有1000次timer interrupts。 HZ可在编译核心时设定，如下所示(以核心版本2.6.20-15为例)：

     adrian@adrian-desktop:~$ cd /usr/src/linux
     adrian@adrian-desktop:/usr/src/linux$ make menuconfig
     Processor type and features ---> Timer frequency (250 HZ) --->


其中HZ可设定100、250、300或1000。以小弟的核心版本预设值为250。

小实验
观察/proc/interrupt的 timer中断次数，并于一秒后再次观察其值。理论上，两者应该相差250左右。

     adrian@adrian-desktop:~$ cat /proc/interrupts | grep timer && sleep 1 && cat /proc/interrupts | grep timer
     0: 9309306 IO-APIC-edge timer
     0: 9309562 IO-APIC-edge timer


上面四个栏位分别为中断号码、CPU中断次数、PIC与装置名称。

要检查系统上HZ的值是什么，就执行命令

     cat /boot/config-`uname -r` | grep '^CONFIG_HZ='

还可以直接更改文件
os/linux/include/asm-cris/param.h?

Tick

Tick是HZ的倒数，意即timer interrupt每发生一次中断的时间。如HZ为250时，tick为4毫秒(millisecond)。

Jiffies

Jiffies为Linux核心变数(32位元变数，unsigned long)，它被用来纪录系统自开几以来，已经过多少的tick。每发生一次timer interrupt，Jiffies变数会被加一。值得注意的是，Jiffies于系统开机时，并非初始化成零，而是被设为-300*HZ (arch/i386/kernel/time.c)，即代表系统于开机五分钟后，jiffies便会溢位。那溢位怎么办?事实上，Linux核心定义几个macro(timer_after、time_after_eq、time_before与time_before_eq)，即便是溢位，也能藉由这几个macro正确地取得jiffies的内容。

另外，80x86架构定义一个与jiffies相关的变数jiffies_64 ，此变数64位元，要等到此变数溢位可能要好几百万年。因此要等到溢位这刻发生应该很难吧。那如何经由jiffies_64取得jiffies资讯呢?事实上，jiffies被对应至jiffies_64最低的32位元。因此，经由jiffies_64可以完全不理会溢位的问题便能取得jiffies。

HZ的设定：
#make menuconfig
processor type and features--->Timer frequency (250 HZ)--->

HZ的不同值会影响timer （节拍）中断的频率

  

 

全局变量jiffies用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数。启动时，内核将该变量初始化为0，此后，每次时钟中断处理程序都会增加该变量的值。一秒内时钟中断的次数等于Hz，所以jiffies一秒内增加的值也就是Hz。

   系统运行时间以秒为单位，等于jiffies/Hz。

注意，jiffies类型为无符号长整型(unsigned long)，其他任何类型存放它都不正确。

将以秒为单位的时间转化为jiffies：

seconds * Hz

将jiffies转化为以秒为单位的时间：

jiffies / Hz

相比之下，内核中将秒转换为jiffies用的多些。

• jiffies的内部表示

   jiffies定义于文件<linux\Jiffies.h>中：

1. /*
2. * The 64-bit value is not atomic - you MUST NOT read it
3. * without sampling the sequence number in xtime_lock.
4. * get_jiffies_64() will do this for you as appropriate.
5. */
6. extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
7. extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

ld(1)脚本用于连接主内核映像（在x86上位于arch/i386/kernel/vmlinux.lds.S中），然后用jiffies_64变量的初值覆盖jiffies变量。因此jiffies取整个jiffies_64变量的低32位。

  访问jiffies的代码只会读取jiffies_64的低32位，通过get_jiffies_64()函数就可以读取整个64位的值。在64位体系结构上，jiffies_64和jiffies指的是同一个变量。

1. #if (BITS_PER_LONG < 64)
2. u64 get_jiffies_64(void);
3. #else
4. static inline u64 get_jiffies_64(void)
5. {
6. return (u64)jiffies;
7. }
8. #endif

1. 在<Time.c(kernel)>中
2. #if (BITS_PER_LONG < 64)
3. u64 get_jiffies_64(void)
4. {
5.     unsigned long seq;
6.     u64 ret;
8. do {
9.         seq = read_seqbegin(&xtime_lock);
10.         ret = jiffies_64;
11.     } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));
12. return ret;
13. }

• jiffies的回绕wrap around

  当jiffies的值超过它的最大存放范围后就会发生溢出。对于32位无符号长整型，最大取值为(2^32)-1,即429496795。如果节拍计数达到了最大值后还要继续增加，它的值就会回绕到0。

  内核提供了四个宏来帮助比较节拍计数，它们能正确的处理节拍计数回绕的问题：

1. /*
2. *  These inlines deal with timer wrapping correctly. You are
3. *  strongly encouraged to use them
4. *  1. Because people otherwise forget
5. *  2. Because if the timer wrap changes in future you won't have to
6. *     alter your driver code.
7. *
8. * time_after(a,b) returns true if the time a is after time b.
9. *
10. * Do this with "<0" and ">=0" to only test the sign of the result. A
11. * good compiler would generate better code (and a really good compiler
12. * wouldn't care). Gcc is currently neither.
13. */
14. #define time_after(a,b)     \
15.     (typecheck(unsigned long, a) && \
16.      typecheck(unsigned long, b) && \
17.      ((long)(b) - (long)(a) < 0))
18. #define time_before(a,b)    time_after(b,a)
20. #define time_after_eq(a,b)  \
21.     (typecheck(unsigned long, a) && \
22.      typecheck(unsigned long, b) && \
23.      ((long)(a) - (long)(b) >= 0))
24. #define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)
26. /* Same as above, but does so with platform independent 64bit types.
27. * These must be used when utilizing jiffies_64 (i.e. return value of
28. * get_jiffies_64() */
29. #define time_after64(a,b)   \
30.     (typecheck(__u64, a) && \
31.      typecheck(__u64, b) && \
32.      ((__s64)(b) - (__s64)(a) < 0))
33. #define time_before64(a,b)  time_after64(b,a)
35. #define time_after_eq64(a,b)    \
36.     (typecheck(__u64, a) && \
37.      typecheck(__u64, b) && \
38.      ((__s64)(a) - (__s64)(b) >= 0))
39. #define time_before_eq64(a,b)   time_after_eq64(b,a)

• 用户空间和HZ

  问题提出：

  在2.6以前的内核中，如果改变内核中的HZ值会给用户空间中某些程序造成异常结果。因为内核是以节拍数/秒的形式给用户空间导出这个值的，应用程序便依赖这个特定的HZ值。如果在内核中改变了HZ的定义值，就打破了用户空间的常量关系---用户空间并不知道新的HZ值。

  解决方法：

  内核更改所有导出的jiffies值。内核定义了USER_HZ来代表用户空间看到的HZ值。在x86体系结构上，由于HZ值原来一直是100，所以USER_HZ值就定义为100。内核可以使用宏jiffies_to_clock_t()将一个有HZ表示的节拍计数转换为一个由USER_HZ表示的节拍计数。

1. 在<Time.c(kernel)>中
2. /*
3. * Convert jiffies/jiffies_64 to clock_t and back.
4. */
5. clock_t jiffies_to_clock_t(long x)
6. {
7. #if (TICK_NSEC % (NSEC_PER_SEC / USER_HZ)) == 0
8. return x / (HZ / USER_HZ);
9. #else
10.     u64 tmp = (u64)x * TICK_NSEC;
11.     do_div(tmp, (NSEC_PER_SEC / USER_HZ));
12. return (long)tmp;
13. #endif
14. }
16. unsigned long clock_t_to_jiffies(unsigned long x)
17. {
18. #if (HZ % USER_HZ)==0
19. if (x >= ~0UL / (HZ / USER_HZ))
20. return ~0UL;
21. return x * (HZ / USER_HZ);
22. #else
23.     u64 jif;
25. /* Don't worry about loss of precision here .. */
26. if (x >= ~0UL / HZ * USER_HZ)
27. return ~0UL;
29. /* .. but do try to contain it here */
30.     jif = x * (u64) HZ;
31.     do_div(jif, USER_HZ);
32. return jif;
33. #endif
34. }
35. u64 jiffies_64_to_clock_t(u64 x)
36. {
37. #if (TICK_NSEC % (NSEC_PER_SEC / USER_HZ)) == 0
38.     do_div(x, HZ / USER_HZ);
39. #else
40. /*
41.      * There are better ways that don't overflow early,
42.      * but even this doesn't overflow in hundreds of years
43.      * in 64 bits, so..
44.      */
45.     x *= TICK_NSEC;
46.     do_div(x, (NSEC_PER_SEC / USER_HZ));
47. #endif
48. return x;
49. }

1. 在<Div64.h(include\asm-i385)>中
2. /*
3. * do_div() is NOT a C function. It wants to return
4. * two values (the quotient and the remainder), but
5. * since that doesn't work very well in C, what it
6. * does is:
7. *
8. * - modifies the 64-bit dividend _in_place_
9. * - returns the 32-bit remainder
10. *
11. * This ends up being the most efficient "calling
12. * convention" on x86.
13. */
14. #define do_div(n,base) ({ \
15.     unsigned long __upper, __low, __high, __mod, __base; \
16.     __base = (base); \
17.     asm("":"=a" (__low), "=d" (__high):"A" (n)); \
18.     __upper = __high; \
19. if (__high) { \
20.         __upper = __high % (__base); \
21.         __high = __high / (__base); \
22.     } \
23.     asm("divl %2":"=a" (__low), "=d" (__mod):"rm" (__base), "0" (__low), "1" (__upper)); \
24.     asm("":"=A" (n):"a" (__low),"d" (__high)); \
25.     __mod; \
26. })

  用户空间期望HZ=USER_HZ，但是如果它们不相等，则由宏完成转换。