Documentation/timers/highres.rst

   1 =====================================================
   2 High resolution timers and dynamic ticks design notes
   3 =====================================================
   4
   5 Further information can be found in the paper of the OLS 2006 talk "hrtimers
   6 and beyond". The paper is part of the OLS 2006 Proceedings Volume 1, which can
   7 be found on the OLS website:
   8 https://www.kernel.org/doc/ols/2006/ols2006v1-pages-333-346.pdf
   9
  10 The slides to this talk are available from:
  11 http://www.cs.columbia.edu/~nahum/w6998/papers/ols2006-hrtimers-slides.pdf
  12
  13 The slides contain five figures (pages 2, 15, 18, 20, 22), which illustrate the
  14 changes in the time(r) related Linux subsystems. Figure #1 (p. 2) shows the
  15 design of the Linux time(r) system before hrtimers and other building blocks
  16 got merged into mainline.
  17
  18 Note: the paper and the slides are talking about "clock event source", while we
  19 switched to the name "clock event devices" in meantime.
  20
  21 The design contains the following basic building blocks:
  22
  23 - hrtimer base infrastructure
  24 - timeofday and clock source management
  25 - clock event management
  26 - high resolution timer functionality
  27 - dynamic ticks
  28
  29
  30 hrtimer base infrastructure
  31 ---------------------------
  32
  33 The hrtimer base infrastructure was merged into the 2.6.16 kernel. Details of
  34 the base implementation are covered in Documentation/timers/hrtimers.rst. See
  35 also figure #2 (OLS slides p. 15)
  36
  37 The main differences to the timer wheel, which holds the armed timer_list type
  38 timers are:
  39
  40        - time ordered enqueueing into a rb-tree
  41        - independent of ticks (the processing is based on nanoseconds)
  42
  43
  44 timeofday and clock source management
  45 -------------------------------------
  46
  47 John Stultz's Generic Time Of Day (GTOD) framework moves a large portion of
  48 code out of the architecture-specific areas into a generic management
  49 framework, as illustrated in figure #3 (OLS slides p. 18). The architecture
  50 specific portion is reduced to the low level hardware details of the clock
  51 sources, which are registered in the framework and selected on a quality based
  52 decision. The low level code provides hardware setup and readout routines and
  53 initializes data structures, which are used by the generic time keeping code to
  54 convert the clock ticks to nanosecond based time values. All other time keeping
  55 related functionality is moved into the generic code. The GTOD base patch got
  56 merged into the 2.6.18 kernel.
  57
  58 Further information about the Generic Time Of Day framework is available in the
  59 OLS 2005 Proceedings Volume 1:
  60
  61         http://www.linuxsymposium.org/2005/linuxsymposium_procv1.pdf
  62
  63 The paper "We Are Not Getting Any Younger: A New Approach to Time and
  64 Timers" was written by J. Stultz, D.V. Hart, & N. Aravamudan.
  65
  66 Figure #3 (OLS slides p.18) illustrates the transformation.
  67
  68
  69 clock event management
  70 ----------------------
  71
  72 While clock sources provide read access to the monotonically increasing time
  73 value, clock event devices are used to schedule the next event
  74 interrupt(s). The next event is currently defined to be periodic, with its
  75 period defined at compile time. The setup and selection of the event device
  76 for various event driven functionalities is hardwired into the architecture
  77 dependent code. This results in duplicated code across all architectures and
  78 makes it extremely difficult to change the configuration of the system to use
  79 event interrupt devices other than those already built into the
  80 architecture. Another implication of the current design is that it is necessary
  81 to touch all the architecture-specific implementations in order to provide new
  82 functionality like high resolution timers or dynamic ticks.
  83
  84 The clock events subsystem tries to address this problem by providing a generic
  85 solution to manage clock event devices and their usage for the various clock
  86 event driven kernel functionalities. The goal of the clock event subsystem is
  87 to minimize the clock event related architecture dependent code to the pure
  88 hardware related handling and to allow easy addition and utilization of new
  89 clock event devices. It also minimizes the duplicated code across the
  90 architectures as it provides generic functionality down to the interrupt
  91 service handler, which is almost inherently hardware dependent.
  92
  93 Clock event devices are registered either by the architecture dependent boot
  94 code or at module insertion time. Each clock event device fills a data
  95 structure with clock-specific property parameters and callback functions. The
  96 clock event management decides, by using the specified property parameters, the
  97 set of system functions a clock event device will be used to support. This
  98 includes the distinction of per-CPU and per-system global event devices.
  99
 100 System-level global event devices are used for the Linux periodic tick. Per-CPU
 101 event devices are used to provide local CPU functionality such as process
 102 accounting, profiling, and high resolution timers.
 103
 104 The management layer assigns one or more of the following functions to a clock
 105 event device:
 106
 107       - system global periodic tick (jiffies update)
 108       - cpu local update_process_times
 109       - cpu local profiling
 110       - cpu local next event interrupt (non periodic mode)
 111
 112 The clock event device delegates the selection of those timer interrupt related
 113 functions completely to the management layer. The clock management layer stores
 114 a function pointer in the device description structure, which has to be called
 115 from the hardware level handler. This removes a lot of duplicated code from the
 116 architecture specific timer interrupt handlers and hands the control over the
 117 clock event devices and the assignment of timer interrupt related functionality
 118 to the core code.
 119
 120 The clock event layer API is rather small. Aside from the clock event device
 121 registration interface it provides functions to schedule the next event
 122 interrupt, clock event device notification service and support for suspend and
 123 resume.
 124
 125 The framework adds about 700 lines of code which results in a 2KB increase of
 126 the kernel binary size. The conversion of i386 removes about 100 lines of
 127 code. The binary size decrease is in the range of 400 byte. We believe that the
 128 increase of flexibility and the avoidance of duplicated code across
 129 architectures justifies the slight increase of the binary size.
 130
 131 The conversion of an architecture has no functional impact, but allows to
 132 utilize the high resolution and dynamic tick functionalities without any change
 133 to the clock event device and timer interrupt code. After the conversion the
 134 enabling of high resolution timers and dynamic ticks is simply provided by
 135 adding the kernel/time/Kconfig file to the architecture specific Kconfig and
 136 adding the dynamic tick specific calls to the idle routine (a total of 3 lines
 137 added to the idle function and the Kconfig file)
 138
 139 Figure #4 (OLS slides p.20) illustrates the transformation.
 140
 141
 142 high resolution timer functionality
 143 -----------------------------------
 144
 145 During system boot it is not possible to use the high resolution timer
 146 functionality, while making it possible would be difficult and would serve no
 147 useful function. The initialization of the clock event device framework, the
 148 clock source framework (GTOD) and hrtimers itself has to be done and
 149 appropriate clock sources and clock event devices have to be registered before
 150 the high resolution functionality can work. Up to the point where hrtimers are
 151 initialized, the system works in the usual low resolution periodic mode. The
 152 clock source and the clock event device layers provide notification functions
 153 which inform hrtimers about availability of new hardware. hrtimers validates
 154 the usability of the registered clock sources and clock event devices before
 155 switching to high resolution mode. This ensures also that a kernel which is
 156 configured for high resolution timers can run on a system which lacks the
 157 necessary hardware support.
 158
 159 The high resolution timer code does not support SMP machines which have only
 160 global clock event devices. The support of such hardware would involve IPI
 161 calls when an interrupt happens. The overhead would be much larger than the
 162 benefit. This is the reason why we currently disable high resolution and
 163 dynamic ticks on i386 SMP systems which stop the local APIC in C3 power
 164 state. A workaround is available as an idea, but the problem has not been
 165 tackled yet.
 166
 167 The time ordered insertion of timers provides all the infrastructure to decide
 168 whether the event device has to be reprogrammed when a timer is added. The
 169 decision is made per timer base and synchronized across per-cpu timer bases in
 170 a support function. The design allows the system to utilize separate per-CPU
 171 clock event devices for the per-CPU timer bases, but currently only one
 172 reprogrammable clock event device per-CPU is utilized.
 173
 174 When the timer interrupt happens, the next event interrupt handler is called
 175 from the clock event distribution code and moves expired timers from the
 176 red-black tree to a separate double linked list and invokes the softirq
 177 handler. An additional mode field in the hrtimer structure allows the system to
 178 execute callback functions directly from the next event interrupt handler. This
 179 is restricted to code which can safely be executed in the hard interrupt
 180 context. This applies, for example, to the common case of a wakeup function as
 181 used by nanosleep. The advantage of executing the handler in the interrupt
 182 context is the avoidance of up to two context switches - from the interrupted
 183 context to the softirq and to the task which is woken up by the expired
 184 timer.
 185
 186 Once a system has switched to high resolution mode, the periodic tick is
 187 switched off. This disables the per system global periodic clock event device -
 188 e.g. the PIT on i386 SMP systems.
 189
 190 The periodic tick functionality is provided by an per-cpu hrtimer. The callback
 191 function is executed in the next event interrupt context and updates jiffies
 192 and calls update_process_times and profiling. The implementation of the hrtimer
 193 based periodic tick is designed to be extended with dynamic tick functionality.
 194 This allows to use a single clock event device to schedule high resolution
 195 timer and periodic events (jiffies tick, profiling, process accounting) on UP
 196 systems. This has been proved to work with the PIT on i386 and the Incrementer
 197 on PPC.
 198
 199 The softirq for running the hrtimer queues and executing the callbacks has been
 200 separated from the tick bound timer softirq to allow accurate delivery of high
 201 resolution timer signals which are used by itimer and POSIX interval
 202 timers. The execution of this softirq can still be delayed by other softirqs,
 203 but the overall latencies have been significantly improved by this separation.
 204
 205 Figure #5 (OLS slides p.22) illustrates the transformation.
 206
 207
 208 dynamic ticks
 209 -------------
 210
 211 Dynamic ticks are the logical consequence of the hrtimer based periodic tick
 212 replacement (sched_tick). The functionality of the sched_tick hrtimer is
 213 extended by three functions:
 214
 215 - hrtimer_stop_sched_tick
 216 - hrtimer_restart_sched_tick
 217 - hrtimer_update_jiffies
 218
 219 hrtimer_stop_sched_tick() is called when a CPU goes into idle state. The code
 220 evaluates the next scheduled timer event (from both hrtimers and the timer
 221 wheel) and in case that the next event is further away than the next tick it
 222 reprograms the sched_tick to this future event, to allow longer idle sleeps
 223 without worthless interruption by the periodic tick. The function is also
 224 called when an interrupt happens during the idle period, which does not cause a
 225 reschedule. The call is necessary as the interrupt handler might have armed a
 226 new timer whose expiry time is before the time which was identified as the
 227 nearest event in the previous call to hrtimer_stop_sched_tick.
 228
 229 hrtimer_restart_sched_tick() is called when the CPU leaves the idle state before
 230 it calls schedule(). hrtimer_restart_sched_tick() resumes the periodic tick,
 231 which is kept active until the next call to hrtimer_stop_sched_tick().
 232
 233 hrtimer_update_jiffies() is called from irq_enter() when an interrupt happens
 234 in the idle period to make sure that jiffies are up to date and the interrupt
 235 handler has not to deal with an eventually stale jiffy value.
 236
 237 The dynamic tick feature provides statistical values which are exported to
 238 userspace via /proc/stat and can be made available for enhanced power
 239 management control.
 240
 241 The implementation leaves room for further development like full tickless
 242 systems, where the time slice is controlled by the scheduler, variable
 243 frequency profiling, and a complete removal of jiffies in the future.
 244
 245
 246 Aside the current initial submission of i386 support, the patchset has been
 247 extended to x86_64 and ARM already. Initial (work in progress) support is also
 248 available for MIPS and PowerPC.
 249
 250           Thomas, Ingo