Systemy Operacyjne – semestr drugi

Wyk ad dziewi ty

ł

ą

Pomiar czasu i synchronizacja wzgl dem czasu w Linuksie

ę

1.

Generowanie taktów i pomiar up ywu czasu

ł

Wywo ania wielu funkcji j dra s uzale nione nie wyst pieniem okre lonych zdarze lecz up ywem czasu, dlatego j dro systemu musi mie mechanizm pozwalaj cy na

ł

ą

ą

ż

ą

ś

ń

ł

ą

ć

ą

pomiar up ywu czasu. Ten pomiar jest równie potrzebny aplikacjom przestrzeni u ytkownika. Te ostatnie mog wymaga informacji na temat bie

cej daty i czasu, jak

ł

ż

ż

ą

ć

żą

równie mog dokonywa pomiaru czasu wykonania pewnych czynno ci.

ż

ą

ć

ś

G ównym mechanizmem wyznaczaj cym dla j dra up yw kolejnych chwil jest

ł

ą

ą

ł

zegar systemowy. Mechanizm ten generuje w okre lonych odst pach czasu przerwanie

ś

ę

zwane przerwaniem zegarowym, które jest obs ugiwane za pomoc specjalnej procedury obs ugi przerwania. Zegar systemowy pracuje na podstawie impulsów

ł

ą

ł

zegarowych generowanych przez generator impulsów taktuj cych procesor lub przez inne urz dzenia tego typu. Cz stotliwo

generowania kolejnych przerwa przez

ą

ą

ę

ść

ń

zegar systemowy jest okre lona sta

HZ. Znaj c cz stotliwo

mo na wyznaczy d ugo

okresu z jakim dzia a zegar systemowy. W wi kszo ci wspó czesnych

ś

łą

ą

ę

ść

ż

ć

ł

ść

ł

ę

ś

ł

architektur sta a HZ jest równa 100. Wyj tek stanowi mi dzy innymi architektura i368, dla której ta warto wynosi 1000. Zosta a ona zwi kszona 10 krotnie podczas

ł

ą

ę

ść

ł

ę

implementacji j dra w wersji 2.4. Sta a ta ma oczywi cie wp yw na szybko dzia ania systemu. Zwi kszenie jej ma wiele zalet, ale równie mo e powodowa problemy.

ą

ł

ś

ł

ść

ł

ę

ż

ż

ć

Do zalet nale y zaliczy zwi kszenie rozdzielczo ci przerwania zegarowego i zwi kszenie dok adno ci sterowania czasem, co poci ga za sob lepsz obs ug wszystkich

ż

ć

ę

ś

ę

ł

ś

ą

ą

ą

ł

ę

zdarze zale nych od czasu. Niestety nie mo na tej sta ej w dowolny sposób modyfikowa . Nale y równie uwzgl dni fakt, e zwi kszenie tej sta ej poci ga za sob

ń

ż

ż

ł

ć

ż

ż

ę

ć

ż

ę

ł

ą

ą

zwi kszenie cz stotliwo ci wyst powania przerwania zegarowego i cz stszego wywo ywania jego procedury obs ugi. Liczb taktów zegara od momentu uruchomienia

ę

ę

ś

ę

ę

ł

ł

ę

systemu przechowuje si w zmiennej

ę

jiffies, której warto jest zwi kszana o jeden podczas ka dego taktu zegara. Czas pracy systemu (

ść

ę

ż

ang. uptime) mierzony jest jako

iloraz jiffies/HZ. Zmienna jiffies przechowuje warto ci b d ce 64 – bitowymi liczbami naturalnymi. We wcze niejszych wersjach j dra zmienna ta, w architekturach

ś

ę ą

ś

ą

i386 by a 32 – bitowa. Przy HZ=100 przepe nienie jej nast powa o co 497 dni. Kiedy od j dra 2.4 zacz to stosowa sta HZ=1000, to okres ten skróci si do 49,7 dnia,

ł

ł

ę

ł

ą

ę

ć

łą

ł

ę

dlatego te twórcy j dra zastosowali rozwi zanie polegaj ce na „na o eniu” 32 – bitowej zmiennej jiffies na zmienn jiffies_64, która ma rozmiar 64 – bitów. Odwo anie

ż

ą

ą

ą

ł ż

ą

ł

si wi c do zmiennej jiffies w architekturach 32 – bitowych daje warto

jej m odszego s owa, w architekturach 64 – bitowych jej pe n warto . Dost p do pe nej

ę

ę

ść

ł

ł

ł ą

ść

ę

ł

warto ci tej zmiennej jest mo liwy w obu przypadkach poprzez funkcj

ś

ż

ę get_jiffies_64(). Aby unikn

problemów jakie mo e spowodowa przepe nienie tej zmiennej

ąć

ż

ć

ł

programi ci j dra wprowadzili makrodefinicje, uwzgl dniaj ce to zjawisko przy pomiarze czasu. S to

ś

ą

ę

ą

ą

time_after, time_before, time_after_eq i time_before_eq. Do

wszystkich z nich przekazywane s dwa parametry: warto zmiennej jiffies i warto z któr jest ona porównywana. Pierwsza makrodefinicja zwraca warto ró n od

ą

ść

ść

ą

ść

ż ą

zera, je li pierwszy parametr reprezentuje moment wyst puj cy przed momentem reprezentowanym przez parametr drugi. Druga makrodefinicja dzia a odwrotnie.

ś

ę

ą

ł

Dwie pozosta e dodatkowo uwzgl dniaj przypadek, kiedy oba przekazane makrodefinicjom parametry s równe.

ł

ę

ą

ą

Aby aplikacje u ytkownika, które by y napisane z my l o wcze niejszych ni wersja 2.4 j drach mog y dzia a bez przeszkód na j drach 2.4 i pó niejszych,

ż

ł

ś ą

ś

ż

ą

ł

ł ć

ą

ź

wprowadzono sta USER_HZ, która pe ni rol sta ej HZ dla przestrzeni u ytkownika. Ma ona zastosowanie g ównie podczas skalowania warto ci

łą

ł

ę

ł

ż

ł

ś

jiffies dla przestrzeni

u ytkownika. Tej konwersji dokonuje makrodefinicja

ż

jiffies_to_clock(). J dro obs uguje równie mechanizm

ą

ł

ż

zegara czasu rzeczywistego (RTC) z którego pracy korzystają

g ównie aplikacje u ytkowników. Zegar ten przechowuje i aktualizuje informacje o bie

cej dacie i godzinie. Jego zawarto jest odczytywana i umieszczana w zmiennej

ł

ż

żą

ść

xtime podczas rozruchu systemu. J dro nie odczytuje ju wi cej zawarto ci zegara czasu rzeczywistego, ale samo aktualizuje zawarto tej zmiennej i ewentualnie mo e

ą

ż

ę

ś

ść

ż

aktualizowa zawarto samego RTC.

ć

ść

Procedura obs ugi przerwania zegarowego podzielona jest na cz

, która zale na jest od architektury sprz towej i cz

, która jest niezale na. W pierwszej realizowane

ł

ęść

ż

ę

ęść

ż

s cztery czynno ci:

ą

ś

za o enie blokady

ł ż

xtime_lock celem zabezpieczenia dost pu do zmiennej

ę

jiffies_64 i zmiennej xtime,

potwierdzenie obs ugi przerwania b d wyzerowanie licznika dekrementacyjnego,

ł

ą ź

okresowy zapis bie

cej warto ci zmiennej

żą

ś

xtime do RTC,

wywo anie funkcji

ł

do_timer()

Funkcja do_timer() realizuje nast puj ce operacje:

ę

ą

zwi ksza o jeden warto zmiennej jiffies_64,

ę

ść

aktualizuje statystyki wykorzystania zasobów procesu u ytkownika (g ownie czas sp dzony w przestrzeni u ytkownika i przestrzeni systemu), dokonuje

ż

ł

ę

ż

tego za po rednictwem funkcji

ś

update_process_times()

1

,

uruchamia procedury obs ugi liczników dynamicznych, które zako czy y odliczanie,

ł

ń

ł

wywo uje funkcje

ł

scheduler_tick(),

aktualizuje czas w zmiennej xtime,

oblicza obci

enie systemu.

ąż

Bie

cy czas systemowy przechowywany jest w zmiennej

żą

xtime, której typ jest struktur posiadaj c dwa pola. Pierwsze z nich przechowuje liczb sekund, które

ą

ą ą

ę

up yn y od 1 stycznia 1970 roku

ł

ęł

2

, a drugie liczb nanosekund, które up yn y od pocz tku bie

cej sekundy. Zapis i odczyt tej zmiennej wymagaj za o enia blokady

ę

ł

ęł

ą

żą

ą

ł ż

sekwencyjnej xtime_lock. Dla aplikacji u ytkownika ta zmienna jest dost pna poprzez wywo anie

ż

ę

ł

gettimeofday().

2.

Liczniki

Liczniki, zwane licznikami dynamicznymi lub licznikami j dra pozwalaj opó ni wykonanie okre lonych czynno ci o ustalon ilo czasu pocz wszy od chwili bie

cej.

ą

ą

ź ć

ś

ś

ą

ść

ą

żą

Nie jest to mechanizm precyzyjny i mog zdarza si niedok adno ci rz du rozmiaru okresu, wi c nie powinny one by stosowane do zada czasu rzeczywistego,

ą

ć

ę

ł

ś

ę

ę

ć

ń

niemniej wi kszo ci przypadków nadaj si one do zastosowania. Nale y równie pami ta , e liczniki te nie s cykliczne, tzn. po up ywie okre lonego czasu s

ę

ś

ą

ę

ż

ż

ę ć ż

ą

ł

ś

ą

zwalniane i nie jest wznawiana ich praca. Liczniki dynamiczne s reprezentowane struktur

ą

ą timer_list. Aby skorzysta z licznika nale y zadeklarowa zmienn tego

ć

ż

ć

ą

typu, zainicjalizowa j przy pomocy

ć

ą

init_timer(), wype ni bezpo rednio pola

ł ć

ś

expires, data i function, oraz uaktywni przy pomocy

ć

add_timer(). Pierwsze

1

To uaktualnienie nie jest dok adne, ale nie ma potrzeby zmienia je na dok adniejsze.

ł

ć

ł

2

T dat przyjmuje si za pocz tek „epoki Uniksa”.

ę

ę

ę

ą

1

Systemy Operacyjne – semestr drugi

z wymienionych pól okre la czas po którym ma zosta wywo ana zwi zana z licznikiem funkcja, drugie jest parametrem wywo ania tej funkcji

ś

ć

ł

ą

ł

, a trzecie zawiera jej

adres. Wymieniona wcze niej funkcja musi mie nast puj cy prototyp:

ś

ć

ę

ą

void my_timer_function(unsigned long data);

Poniewa funkcja ta mo e by zwi zana równocze nie z kilkoma licznikami, to warto

parametru

ż

ż

ć

ą

ś

ść

data pozwala jej ustali na rzecz którego zosta a wywo ana. Je li

ć

ł

ł

ś

zaistnieje konieczno

modyfikacji momentu wyzwolenia licznika mo na u y w tym celu funkcji

ść

ż

ż ć

mod_timer(). Funkcja ta mo e zosta u yta zarówno dla aktywnych,

ż

ć

ż

jak i nieaktywnych liczników, przy czym te ostatnie s przez ni aktywowane. Je li chcemy usun

aktywny licznik mo emy to uczyni funkcj

ą

ą

ś

ąć

ż

ć

ą del_timer().

W systemach wieloprocesorowych, celem unikni cia sytuacji hazardowych nale y u y

ę

ż

ż ć del_timer_sync(). We wszystkich systemach nale y unika innej modyfikacji

ż

ć

liczników ni przez funkcj

ż

ę mod_timer(), oraz nale y pami ta , aby zabezpieczy zasoby do których dost p wspó bie ny maj funkcje wywo ywane przez liczniki oraz

ż

ę ć

ć

ę

ł

ż

ą

ł

inne cz

ci kodu. Liczniki s powi zane w list . Funkcje przez nie wywo ywane s uruchamiane w kontek cie dolnej po ówki, z poziomu przerwania programowego

ęś

ą

ą

ę

ł

ą

ś

ł

(czyli w kontek cie przerwania), po zako czeniu obs ugi przerwania zegarowego. Aby unikn

sortowania listy liczników i kosztownego przegl dania jest ona

ś

ń

ł

ąć

ą

podzielona na pi

grup, pod wzgl dem czasu po jakim trzeba b dzie wywo a funkcje zgromadzonych na niej liczników.

ęć

ę

ę

ł ć

3.

Opó nianie wykonania

ź

Najprostszym sposobem opó nienia wykonania kodu jest umieszczenie w nim p tli aktywnego oczekiwania. W Linuksie do okre lenia warunku zako czenia takiej p tli

ź

ę

ś

ń

ę

mo na skorzysta z makrodefinicji

ż

ć

time_before(). Wymaga to oczywi cie odczytu zmiennej

ś

jiffies, co mo e rodzi obawy, czy podczas kompilacji nie zostanie ta operacja

ż

ć

zoptymalizowana w niepo

dany sposób. Aby zapobiec takim sytuacjom programi ci j dra zadeklarowali j jako

żą

ś

ą

ą

volatile, co skutecznie powstrzymuje kompilator od

optymalizowania operacji na tej zmiennej. Zalecanym jest, aby w takiej p tli wywo a

ę

ł ć cond_reached(), która powoduje przeszeregowanie zada je li zachodzi taka

ń

ś

potrzeba. Je li czas opó nienia ma by krótki, mo emy pos u y si funkcjami

ś

ź

ć

ż

ł ż ć

ę

udelay() i mdelay(). Pierwsza opó nia wykonanie na jedn mikrosekund wykonuj c

ź

ą

ę

ą

okre lon liczb razy p tl z o on z odpowiednich instrukcji. Liczba iteracji tej p tli jest okre lona zmienn BogoMIPS inicjalizowan przy uruchamianiu j dra.

ś

ą

ę

ę ę ł ż

ą

ę

ś

ą

ą

ą

Funkcja mdelay() korzysta do odliczania czasu z ... funkcji udelay(). Poniewa aktywne oczekiwanie jest nieefektywne i niewskazane wykonanie procesów (w tków

ż

ą

wykonania) mo na opó nia u ywaj c do tego funkcji

ż

ź

ć ż

ą

schedule_timeout() i ustawiaj c stan procesu na TASK_INTERRUPTIBLE

ą

lub TASK_UNINTERRUPTIBLE.

2