本篇关键词:时钟周期、机器周期、指令周期、分频

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基础知识相关篇为:

时间都去哪了 ?

  • 施教授说时间就是运动,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 ( 图一 ) 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,( 图二 )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,( 图三 ) 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,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
    
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    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。
  • 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);
    }
    
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  • 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);
        }
    }
    
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  • 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;
      }
    
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Tick硬中断 | OsTickHandler


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
}
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  • 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
  • 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

  • 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。
  • 与代码需不断debug一样,文章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。
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