开源鸿蒙内核源码分析系列 | 计时单位 | 内核如何看待时间（转载）

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时间都去哪了 ?

施教授（编者注：清华大学校长施一公）说时间就是运动，地球围绕太阳公转一圈叫一年，地球自转一圈叫一天，地球自转了365天才围绕太阳转完了一圈，所以一年等于365天，这些都是运动。
我们能感知到时间的流逝，大概也是因为我们身体在运动，细胞一次次的复制，衰老，死亡，直至最后一次再也无法复制代表着生命彻底终结。

我们日常总是被时间催促着走，就这样一天又一天，一年再一年。疫情都第三年了，口罩也带习惯了，不敢回头看，常常感叹，时间都去哪了？还没好好感受年轻就老了，还没好好看看你眼睛就花了，转眼就只剩下满脸的皱纹了。哎呀 ! 老衲快不行了，要泪崩了……

计算机怎么理解时间

没有时间，我们的生活将是无序的，对计算机更是如此的，而且只会更敏感，否则如何能做到精确到纳秒级的运算，它是如何理解时间的呢？它的敏感源又是什么呢？答案是：晶振全称是石英晶体振荡器，是一种高精度和高稳定度的振荡器。位置一般在主板上，晶振为系统提供很稳定的脉冲信号，一秒钟内产生的脉冲次数也被称为系统时钟频率。一个标准的脉冲信号如下图所示。

时钟周期这里的时钟指的就是晶振，也叫晶振周期/振荡周期。它是计算机的最小时间单元，其他周期只能是它的倍数。

机器周期为什么要搞出来个机器周期，因为到了CPU操作层面时钟周期不好用，有点类似美元和人民币的关系，美元已经是世界货币了，但每个国家国情不同，操作起来还是得用本国货币方便。一个机器周期等于多个时钟周期。它是CPU完成一个基本操作的时间单元。比如: 取指、译码、存储器读/写、运算等等操作。

指令周期它是CPU完成一条指令的时间。又称提取－执行周期（fetch-and-execute cycle）是指CPU要执行一条机器指令经过的步骤，由若干机器周期组成。不同的机器分解指令周期的方式也不同，有的处理器对每条指令分解出相同数量的机器周期，另一些处理器根据指令的复杂程度分解出不同数量的机器周期，下图为 Cortex-A8处理器架构图，图中清晰的说明了指令从取指 – > 译码 -> 执行 -> 储存四个阶段。

总线周期它是CPU操作总线设备的时间，由于存贮器和I/O端口是挂接在总线上的，对它们的访问，是通过总线实现的。通常将进行一次访问所需时间称为一个总线周期。这种访问速度较慢，因硬件发展的原因，各个设备的工作频率无法同步，甚至相差几个数量级，CPU很快，硬盘很慢，大家又需要协同工作，愉快的玩耍，就出现了分频概念，将高频信号变成低频信号，下图显示分频器分出来的四个频率代表二分频、四分频、八分频、十六分频：

从时间长短角度总结下时钟周期 < 机器周期 < 指令周期< 总线周期。

周期、Tick 、秒

对于CPU来说，它的计时单位是Cycle(时钟周期)，对于操作系统来说它的计时单位是Tick(节拍)，而用户的时间单位是秒/毫秒，这就存在一个互逆的换算过程，开源鸿蒙是如何换算的呢 ? 看几个宏定义就清楚了。


#ifndef OS_SYS_CLOCK  //HZ:是每秒中的周期性变动重复次数的计量
#define OS_SYS_CLOCK (get_bus_clk()) //系统主时钟频率 例如:50000000 即20纳秒震动一次
#endif
#ifndef LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND
#define LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND 100 //每秒Tick数，内核定时器触发单位
#endif
#define OS_CYCLE_PER_TICK (g_sysClock / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND) //每个tick时钟周期数

Tick由系统集成商根据实际情况来配置，Tick大系统更灵敏，对CPU的要求更高，也会带来更多的性能损耗。从代码中可以计算出 OS_CYCLE_PER_TICK = 50万个时钟周期，假设指令平均执行周期按10个时钟周期算(实际不能这么计算)，可执行5万条机器指令。

在CP15协处理器中有个专门的 CNTFRQ 寄存器用于存储时钟周期，详见代码：


/* 
* 见于 << arm 架构参考手册>> B4.1.21 处 CNTFRQ寄存器表示系统计数器的时钟频率。
* 这个寄存器是一个通用的计时器寄存器。
* MRC p15, 0, <Rt>, c14, c0, 0 ; Read CNTFRQ into Rt
* MCR p15, 0, <Rt>, c14, c0, 0 ; Write Rt to CNTFRQ
*/
UINT32 HalClockFreqRead(VOID)
{
    return READ_TIMER_REG32(TIMER_REG_CNTFRQ);
}

VOID HalClockFreqWrite(UINT32 freq)
{
    WRITE_TIMER_REG32(TIMER_REG_CNTFRQ, freq);
}

开源鸿蒙内核以全局变量g_sysClock表示系统时钟，由硬时钟模块完成对它的初始化，并创建硬定时器OsTickHandler


//硬时钟初始化
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID HalClockInit(VOID)
{
    UINT32 ret;

    g_sysClock = HalClockFreqRead();//读取CPU的时钟频率
    ret = LOS_HwiCreate(OS_TICK_INT_NUM, MIN_INTERRUPT_PRIORITY, 0, OsTickHandler, 0);//创建硬中断定时器
    if (ret != LOS_OK) {
        PRINT_ERR("%s, %d create tick irq failed, ret:0x%x\n", __FUNCTION__, __LINE__, ret);
    }
}

用户与操作系统之间的时间转换函数为


LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_MS2Tick(UINT32 millisec)
  {
      if (millisec == OS_MAX_VALUE) {
          return OS_MAX_VALUE;
      }
      return ((UINT64)millisec * LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND) / OS_SYS_MS_PER_SECOND;
  }
  LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_Tick2MS(UINT32 tick)
  {
      return ((UINT64)tick * OS_SYS_MS_PER_SECOND) / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
  }
  LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 OsNS2Tick(UINT64 nanoseconds)
  {
      const UINT32 nsPerTick = OS_SYS_NS_PER_SECOND / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
      UINT64 ticks = (nanoseconds + nsPerTick - 1) / nsPerTick;
      if (ticks > OS_MAX_VALUE) {
          ticks = OS_MAX_VALUE;
      }
      return (UINT32)ticks;
  }

Tick硬中断 | OsTickHandler

OsTickHandler 是控制内核正常运行的发动机，本质是硬中断，在所有硬中断中优先级最低，注意没有硬中断内核将是一片死寂，毫无生气。硬件定时器是有时间规律的重复硬中断，中断处理函数反复的检查任务列表，是否当前任务继续执行，是否时间片到了该切换任务执行了，是否有更高优先级任务需先执行。同时检查软件定时器的任务列表的时间是否到了，可以说软件定时器的时间基础就是硬件定时器，其精确度是一个Tick。


LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID)
{
#ifdef LOSCFG_SCHED_TICK_DEBUG 
    OsSchedDebugRecordData();
#endif
#ifdef LOSCFG_KERNEL_VDSO
    OsVdsoTimevalUpdate();//更新vdso数据页时间，vdso可以直接在用户进程空间绕过系统调用获取系统时间(例如:gettimeofday)
#endif
#ifdef LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME
    HalClockIrqClear(); /* diff from every platform */
#endif
    OsSchedTick();//由时钟发起的调度
}

涉及内容具体可翻看系列篇中断管理篇、调度机制篇、软件定时器篇、VDSO篇。

百文说内核 | 抓住主脉络

子曰：“诗三百，一言以蔽之，曰‘思无邪’。”——《论语》：为政篇。

百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在开源鸿蒙内核源码加注释过程中，每每有心得处就整理，慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。

与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下：