gettimeofdayがマイクロ秒オーダー精度がある理由（未完）

詳細Linuxカーネルによるとtscを読み出すアセンブリ言語命令はrdtscであるとのことであるから、それで検索するとinclude/asm-i386/msr.hにドンピシャのコードがある

static inline unsigned long long native_read_tsc(void)
{
    unsigned long long val;
    asm volatile("rdtsc" : "=A" (val));
    return val;
}

naive_read_tscは、マクロでrdtscllというマクロから呼ばれ、以下のようにclocksource構造体のグローバル変数clocksource_tscの readメンバにポインタが代入されている。

static struct clocksource clocksource_tsc = {
    .name = "tsc",
    .rating = 300,
    .read = read_tsc,
    .mask = CLOCKSOURCE_MASK(64),
    .mult = 0, /* to be set */
    .shift = 22,
    .flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS | CLOCK_SOURCE_MUST_VERIFY,
};

さて、ここで行き詰まってしまった。ではgettimeofdayから掘り進んで行こう。gettimeofdayはシステムコールなので、gettimeofdayが呼ばれると ソフトウェア割り込みのハンドラsys_gettimeofdayが呼ばれる。

asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval __user *tv, struct timezone __user *tz)
{
  if (likely(tv != NULL)) {
  struct timeval ktv;
  do_gettimeofday(&ktv);
  if (copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv)))
    return -EFAULT;
  }
  if (unlikely(tz != NULL)) {
    if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz)))
      return -EFAULT;
  }
  return 0;
}

sys_gettimeofdayはdo_gettimeofdayで時刻を取得している。

/**
* do_gettimeofday - Returns the time of day in a timeval
* @tv: pointer to the timeval to be set
*
* NOTE: Users should be converted to using get_realtime_clock_ts()
*/
void do_gettimeofday(struct timeval *tv)
{
  struct timespec now;

  __get_realtime_clock_ts(&now);
  tv->tv_sec = now.tv_sec;
  tv->tv_usec = now.tv_nsec/1000;
}

do_gettimeofdayは__get_realtime_clock_tsから時刻を取得し、なんとナノ秒オーダの時刻を取得しておきながら、 ここでマイクロ秒に丸めている。

/**
* __get_realtime_clock_ts - Returns the time of day in a timespec
* @ts: pointer to the timespec to be set
*
* Returns the time of day in a timespec. Used by
* do_gettimeofday() and get_realtime_clock_ts().
*/
static inline void __get_realtime_clock_ts(struct timespec *ts)
{
    unsigned long seq;
    s64 nsecs;
    do {
        seq = read_seqbegin(&xtime_lock);

        *ts = xtime;
        nsecs = __get_nsec_offset();

    } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));

    timespec_add_ns(ts, nsecs);
}

do_gettimeofdayは、xtime_lockを取得しxtimeで時刻を取得している。xtimeは詳細Linuxカーネル6.2.1.3によると、xtime変数はtimespec構造体で みなさまおなじみ1970年元日の0:0:0(UTC)からの秒数とナノ秒精度の秒数を格納している。これは最後にタイマ割り込みが入った時刻である。 タイマ割り込みはミリ秒オーダの精度しかないので、nsecのケタは__get_nsec_offsetから取得し補完している。で、__get_nsec_offsetは

/**
* __get_nsec_offset - Returns nanoseconds since last call to periodic_hook
*
* private function, must hold xtime_lock lock when being
* called. Returns the number of nanoseconds since the
* last call to update_wall_time() (adjusted by NTP scaling)
*/
static inline s64 __get_nsec_offset(void)
{
  cycle_t cycle_now, cycle_delta;
  s64 ns_offset;

  /* read clocksource: */
  cycle_now = clocksource_read(clock);

  /* calculate the delta since the last update_wall_time: */
  cycle_delta = (cycle_now - clock->cycle_last) & clock->mask;

  /* convert to nanoseconds: */
  ns_offset = cyc2ns(clock, cycle_delta);

  return ns_offset;
}

現在のクロックカウントを取得し、前回のタイマ割り込み時のクロックカウントとの差を計算して クロックカウントをナノ秒に変換している。現在のクロックカウントはclocksource_readで取得している。 引数のclockはclocksource型ポインタのグローバル変数である。おっとclocksource型ってのはさっきのclocksource_tscの型と同じだ。 わくわくしてきた気持ちを抑えて、clocksource_readを見てみる。

/**
* clocksource_read: - Access the clocksource's current cycle value
* @cs: pointer to clocksource being read
*
* Uses the clocksource to return the current cycle_t value
*/
static inline cycle_t clocksource_read(struct clocksource *cs)
{
  return cs->read();
}

　すばらしい。グローバル変数clockが、clocksource_tscのアドレスが代入されていれば、native_read_tsc()が呼ばれ tscからクロックカウントを取得する。では、kernelの初期化ルーチンstart_kernelを見てみると、time_init()を呼んでおり time_init()がtsc_init()を呼ぶ。tsc_init()にはclocksource_register(&clocksource_tsc)という行がある。どうやら clocksourceのlinked-listに入れているようだ。

　ここまで追ってきて、また行き詰まってしまった。詳細Linuxカーネルによると1usec以上の精度を持ったタイマはtscだけではないようだ。 HPET(High Precision Event Timer)やACPI PMT(ACPI Power Management Timer)等があり、HPETは10MHz以上の周波数を持ち ACPI PMTは3.58MHzの周波数を持つ。これらの周期はもちろん1マイクロ秒以下である。本はちゃんと読まないといけないなぁ。 これらのタイマがどのように選ばれるのか、なんとなくわかったので、もう少し調べてまた書く事にしよう。 この記事を書くために調べた過程で、tscからナノ秒に変換するところとか、他に面白そうなことがありそうだ。 これらも後日にする。

実を言うとここまで真面目にLinux kernel sourceを読んだのは初めてだ。今回は見事にkernelの森に踏み込んで迷子に なってしまった。だが非常に楽しい。どうやら私の心はkernelの森の魅力に捕われてしまったようだ。