xenomai+Linux双内核时钟管理机制揭秘

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"这篇原创文章探讨了xenomai+linux双内核环境下时钟管理机制的详细运作方式，包括Linux和xenomai各自的时间子系统以及它们如何协同工作。" 在操作系统中，时钟管理机制是核心组件，它通过时钟中断驱动系统时间更新，确保任务调度和CPU资源的公平分配。在xenomai+Linux双内核系统中，这一机制变得更加复杂，因为需要同时服务于两个内核。一、Linux时间子系统 1.1 tick device：Linux中的“tick”是指时钟中断，它周期性地触发，用于维护系统时间、调度任务等。 1.2 clockevent和clocksource：这两个组件分别处理时钟事件和获取系统时钟源。clockevent负责调度和处理时钟中断，而clocksource则提供准确的时间测量。 1.3 clockevent设备注册：硬件时钟设备会作为clockevent设备注册到系统中，以便处理中断事件。 1.4 clocksource设备注册：硬件时钟同样作为clocksource注册，以提供时间基准。 1.5 时间子系统的数据流和控制流：时钟中断产生后，数据流经clocksource，转换为软件可读的系统时间，控制流则涉及时钟事件的调度和处理。二、xenomai时间子系统 2.1 xnclock：这是xenomai实时内核Cobalt中的核心时钟组件，提供高精度的定时服务。 2.2 xntimer：xenomai的定时器系统，允许更精确的定时操作，支持实时应用需求。 2.3 ipipetick设备管理：xenomai处理硬件时钟中断的方式，如lapic-timer，以满足实时性能。 2.4 xenomai时钟系统初始化流程：在系统启动时，xenomai会接管硬件时钟，设置自己的时钟管理机制。 2.5 xenomai接管lapic-timer：lapic（Local APIC）定时器在xenomai下被优化，以提供更高效的服务。 2.6 xenomai内核下Linux时钟工作流程：在xenomai环境中，Linux时钟的处理方式会有所不同，但仍然保证了与xenomai之间的兼容性。 2.7 gravity：xenomai中的调度策略，用于确保实时任务优先级。 2.8 autotune：动态调整时钟频率以优化性能，根据系统负载自动调整时钟中断频率。 xenomai与Linux的双内核共存模式下，时间子系统的关键在于它们之间的协作和隔离。xenomai通过其自有的时钟管理机制，如xnclock和xntimer，提供了对硬件时钟的独占访问，同时确保Linux内核能够获得必要的时钟事件。这种设计使得两个内核能够在同一硬件上并行运行，分别满足实时性和普通任务的需求。 xenomai+Linux双内核系统的时钟管理机制是通过精细的时钟事件调度、时钟源管理和实时优化来实现的，确保了两个内核都能准确、高效地使用硬件时钟资源。这样的设计对于需要兼顾实时性和稳定性的复杂系统具有重要意义。

3.选择一个合适的 clock source。kernel 当然是选用一个 rating 最高的 clocksource 作为当前

的正在使用的那个 clock source 。每当注册一个新的 clock source 的时候调用

clocksource_select 进行选择，毕竟有可能注册了一个精度更高的 clock source。 X86 系统中 tsc

rating 最高，为 300。

到此 clock source 注册就注册完了。

1.5 时间子系统的数据流和控制流

上面说到 tick device 的几种模式，下面结合整个系统模式说明。高精度的 timer 需要高精

度的 clock event ，工作在 one shot mode 的 tick device 工提供高精度的 clock

event(clockeventHandler 中处理高精度 timer)。因此，基于 one shot mode 下的 tick device，系

统实现了高精度 timer，系统的各个模块可以使用高精度 timer 的接口来完成定时服务。

虽然有了高精度 timer 的出现, 内核并没有抛弃老的低精度 timer 机制(内核开发人员试图

整合高精度 timer 和低精度的 timer，不过失败了，所以目前内核中，两种 timer 是同时存在

的)。当系统处于高精度 timer 的时候（tick device 处于 one shot mode），系统会 setup 一个特

别的高精度 timer（可以称之 sched timer），该高精度 timer 会周期性的触发，从而模拟的传

统的 periodic tick，从而推动了传统低精度 timer 的运转。因此，一些传统的内核模块仍然可

以调用经典的低精度 timer 模块的接口。系统可根据需要配置为以下几种模式，具体配置见

其他文档：

1、使用低精度 timer + 周期 tick

根据当前系统的配置情况（周期性 tick），会调用 tick_setup_periodic 函数，这时候，该 tick

device 对应的 clock event device 的 clock event handler 被设置为 tick_handle_periodic。底层硬

件会周期性的产生中断，从而会周期性的调用 tick_handle_periodic 从而驱动整个系统的运转。

这时候高精度 timer 模块是运行在低精度的模式，也就是说这些 hrtimer 虽然是按照高精

度 timer 的红黑树进行组织，但是系统只是在每一周期性 tick 到来的时候调用

hrtimer_run_queues 函数，来检查是否有 expire 的 hrtimer。毫无疑问，这里的高精度 timer

也就是没有意义了。

2、低精度 timer + Dynamic Tick

系统开始的时候并不是直接进入 Dynamic tick mode 的，而是经历一个切换过程。开始的

时候，系统运行在周期 tick 的模式下，各个 cpu 对应的 tick device 的（clock event device 的）

event handler 是 tick_handle_periodic 。在 timer 的软中断上下文中，会调用

tick_check_oneshot_change 进行是否切换到 one shot 模式的检查，如果系统中有支持

one-shot 的 clock event device，并且没有配置高精度 timer 的话，那么就会发生 tick mode 的

切换（调用 tick_nohz_switch_to_nohz），这时候，tick device 会切换到 one shot 模式，而 event

handler 被设置为 tick_nohz_handler。由于这时候的 clock event device 工作在 one shot 模式，

因此当系统正常运行的时候，在 event handler 中每次都要 reprogram clock event，以便正常

产生 tick。当 cpu 运行 idle 进程的时候，clock event device 不再 reprogram 产生下次的 tick 信

号，这样，整个系统的周期性的 tick 就停下来。

高精度 timer 和低精度 timer 的工作原理同上。

3、高精度 timer + Dynamic Tick

同样的，系统开始的时候并不是直接进入 Dynamic tick mode 的，而是经历一个切换过程。

系统开始的时候是运行在周期 tick 的模式下，event handler 是 tick_handle_periodic。在周期

tick 的软中断上下文中（参考 run_timer_softirq ），如果满足条件，会调用

hrtimer_switch_to_hres 将 hrtimer 从低精度模式切换到高精度模式上。这时候，系统会有下

面的动作：

(1)Tick device 的 clock event 设备切换到 oneshot mode（参考 tick_init_highres 函数）

(2)Tick device 的 clock event 设备的 event handler 会更新为 hrtimer_interrupt （参考

tick_init_highres 函数）

(3)设定 sched timer（即模拟周期 tick 那个高精度 timer，参考 tick_setup_sched_timer 函数）

这样，当下一次 tick 到来的时候，系统会调用 hrtimer_interrupt 来处理这个 tick（该 tick 是

通过 sched timer 产生的）。

在 Dynamic tick 的模式下，各个 cpu 的 tick device 工作在 one shot 模式，该 tick device 对

应的 clock event 设备也工作在 one shot 的模式，这时候，硬件 Timer 的中断不会周期性的产

生，但是 linux kernel 中很多的模块是依赖于周期性的 tick 的，因此，在这种情况下，系统

使用 hrtime 模拟了一个周期性的 tick。在切换到 dynamic tick 模式的时候会初始化这个高精

度 timer，该高精度 timer 的回调函数是 tick_sched_timer。这个函数执行的函数类似周期性

tick 中 event handler 执行的内容。不过在最后会 reprogram 该高精度 timer，以便可以周期性

的产生 clock event。当系统进入 idle 的时候，就会 stop 这个高精度 timer，这样，当没有用

户事件的时候，CPU 可以持续在 idle 状态，从而减少功耗。

4、高精度 timer + 周期性 Tick

这种配置不多见，多半是由于硬件无法支持 one shot 的 clock event device，这种情况下，

整个系统仍然是运行在周期 tick 的模式下。

总结一下：linux 启动过程中初始化时钟系统，当 xenomai 内核未启动时，linux 直接对底

层硬件 lapic-timer 编程，底层硬件 lapic-timer 产生中断推动整个 Linux 中的各个时钟及调度

运行。

我们可以将 Linux 抽出如下图，只需要为 Linux 提供设置下一个时钟事件 set_next_event()

和提供 event 触发 eventHandler()执行两个接口就能推动整个 linux 时间子系统运转，下面解

析 Xenomai 是怎样为 linux 提供这两个接口的,达到控制整个时钟系统的。

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