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RISC-V timer 在 Linux 中的实现

Yu Liao 创作于 2022/05/25
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Author: Yu Liao yuliao0214@gmail.com Date: 2022/05/1 Revisor: lzufalcon falcon@tinylab.org Project: RISC-V Linux 内核剖析

RISC-V timer 相关寄存器

mtime & mtimecmp 寄存器

按照 RISC-V 定义，系统需要提供两个 64 位的 M 模式寄存器 mtime 和 mtimecmp，并通过 MMIO 方式映射到地址空间。

mtime 需要以固定的频率递增，并在发生溢出时回绕。当 mtime 大于或等于 mtimecmp 时，由核内中断控制器 (CLINT, Core-Local Interrupt Controller) 产生 timer 中断。中断的使能由 mie 寄存器中的 MTIE 和 STIE 位控制，mip 中的 MPIE 和 SPIE 则指示了 timer 中断是否处于 pending。在 RV32 中读取 mtimecmp 结果为低 32 位， mtimecmp 的高 32 位需要读取 mtimecmph 得到。

在 RISC-V 特权 ISA 规范 的 3.2.1 Machine Timer Registers (mtime and mtimecmp) 中详细介绍了这部分。

time CSR

RISC-V 还定义了一个 64 位非特权 CSR 寄存器 time，time 计数器是前面提到的 mtime 的只读映射。同样，在 RV32 中 timeh CSR 是 mtime 高 32 位的只读映射，对于 M 模式和 S 模式它们都是可读写的。

在 RISC-V 特权 ISA 规范 的 2.2 CSR Listing 和 3.1.11 Machine Counter-Enable Register (mcounteren) 可以找到这块的规范。

htimedelta & htimedeltah 寄存器

在增加虚拟化扩展以后，特权模式会发生一定变化，如下图（来源于参考文档 5）所示：

RISC-V 虚拟化特权模式

相应地，timer 支持也进行了如下扩展：

htimedelta 和 htimedeltah 是 Hypervisor 扩展里的 CSR，在 VS/VU 模式下读取 time 结果是真正的 host 中的 time 加上 htimedelta。同样的，对于 RV32 htimedelta 保存了低 32 位，高 32 位保存在 htimedeltah。

在 RISC-V 特权 ISA 规范 的 8.2.7 Hypervisor Time Delta Registers (htimedelta, htimedeltah) 中详细介绍了这部分。

Sstc 扩展

由于 mtimecmp 只能在 M 模式下访问，对于 S/HS 模式下的内核和 VU/VS 模式下的虚拟机需要通过 SBI 才能访问，会造成较大的中断延迟和性能开销。为了解决这一问题，RISC-V 新增了 Sstc 拓展支持（已批准但尚未最终集成到规范中）。

Sstc 扩展为 HS 模式和 VS 模式分别新增了 stimecmp 和 vstimecmp 寄存器，当 $time >= stimecmp$ (HS)或 $time+htimedelta >= vstimecmp$ (VS)时会产生 timer 中断，不再需要通过 SBI 陷入其他模式。

详见 RISC-V “stimecmp / vstimecmp” 扩展 。

Linux timer 实现

Linux 将底层时钟硬件抽象为两类设备：clockevent 和 clocksource，前者用来在未来指定的时间产生中断，通常用作定时器；后者则用于维护自系统启动以来所经过的时间。

当前 Linux 为 RISC-V 根据内核运行模式实现了两套驱动，代码路径为 drivers/clocksource/timer-riscv.c 和 drivers/clocksource/timer-clint.c。

本文代码基于最新的 Linux v5.18-rc4 和 OpenSBI v1.0，截止目前 Linux 对 Sstc 扩展的支持还没有合入主线内核，社区已有相关补丁：Add Sstc extension support。

mtime 频率由设备树 CPU 节点中的 timebase-frequency 定义，不同平台都各不相同，如 Kendryte K210 的频率是 7.8 MHz，平头哥 C910 的频率是 3 MHz，SiFive Unmatched A00 频率为 1 MHz。

NoMMU timer-clint.c

timer-clint.c 驱动适用于 NoMMU 系统，内核运行在 M 模式下，通过 CONFIG_CLINT_TIMER 使能该驱动。RV64 下 clocksource 是通过直接读取 mtime 寄存器实现的，RV32 系统需要分两次读取，并需要考虑产生进位的情况。

#ifdef CONFIG_64BIT
static u64 notrace clint_get_cycles64(void)
{
    return clint_get_cycles();
}
#else /* CONFIG_64BIT */
static u64 notrace clint_get_cycles64(void)
{
    u32 hi, lo;

    do {
        hi = clint_get_cycles_hi();
        lo = clint_get_cycles();
    } while (hi != clint_get_cycles_hi());

    return ((u64)hi << 32) | lo;
}
#endif /* CONFIG_64BIT */

clint_get_cycles/clint_get_cycles_hi 直接通过内存访问寄存器。

#ifdef CONFIG_64BIT
#define clint_get_cycles()  readq_relaxed(clint_timer_val)
#else
#define clint_get_cycles()  readl_relaxed(clint_timer_val)
#define clint_get_cycles_hi()   readl_relaxed(((u32 *)clint_timer_val) + 1)
#endif

clockevent 是通过使能 mie 的 TIMER 中断，并向 mtimecmp 寄存器写入期望的计数值实现的。

static int clint_clock_next_event(unsigned long delta,
                   struct clock_event_device *ce)
{
    void __iomem *r = clint_timer_cmp +
              cpuid_to_hartid_map(smp_processor_id());

    csr_set(CSR_IE, IE_TIE);
    writeq_relaxed(clint_get_cycles64() + delta, r);
    return 0;
}

MMU timer-riscv.c

timer-riscv.c 驱动适用于有 MMU 的场景，内核运行在 S/HS 模式下，通过 CONFIG_RISCV_TIMER 可以使能该驱动。和 timer-riscv.c 的驱动相比，本质上也是访问 mtime 和 mtimecmp 寄存器，不过由于 S 模式下无法直接访问它们，需要通过其他方式间接完成。

RV64 的 clocksource 是通过 csrr 直接读取 time 寄存器实现的；在 RV32 系统由于一条指令无法读完，需要分两次读取 time 和 timeh， 并考虑可能发生进位的情况。前面提到 time 和 timeh 这两个 CSR 是 mtime 寄存器的映射，因此频率与精度和 mtime 是一致的。

#ifdef CONFIG_64BIT
static inline u64 get_cycles64(void)
{
    return get_cycles();
}
#else /* CONFIG_64BIT */
static inline u64 get_cycles64(void)
{
    u32 hi, lo;

    do {
        hi = get_cycles_hi();
        lo = get_cycles();
    } while (hi != get_cycles_hi());

    return ((u64)hi << 32) | lo;
}
#endif /* CONFIG_64BIT */

static inline cycles_t get_cycles(void)
{
    return csr_read(CSR_TIME);
}
static inline u32 get_cycles_hi(void)
{
    return csr_read(CSR_TIMEH);
}

clockevent 则是通过 SBI 间接访问 mtimecmp 实现的。

static int riscv_clock_next_event(unsigned long delta,
        struct clock_event_device *ce)
{
    csr_set(CSR_IE, IE_TIE);
    sbi_set_timer(get_cycles64() + delta);
    return 0;
}

这里以 OpenSBI 来分析，如果不支持 Sstc 扩展则调用在 SBI 中注册的 timer_event_start 函数写入 mtimecmp，这个需要具体平台自己去实现。

void sbi_timer_event_start(u64 next_event)
{
    sbi_pmu_ctr_incr_fw(SBI_PMU_FW_SET_TIMER);

    /**
     * Update the stimecmp directly if available. This allows
     * the older software to leverage sstc extension on newer hardware.
     */
    if (sbi_hart_has_feature(sbi_scratch_thishart_ptr(), SBI_HART_HAS_SSTC)) {
#if __riscv_xlen == 32
        csr_write(CSR_STIMECMP, next_event & 0xFFFFFFFF);
        csr_write(CSR_STIMECMPH, next_event >> 32);
#else
        csr_write(CSR_STIMECMP, next_event);
#endif
    } else if (timer_dev && timer_dev->timer_event_start) {
        timer_dev->timer_event_start(next_event);
        csr_clear(CSR_MIP, MIP_STIP);
    }
    csr_set(CSR_MIE, MIP_MTIP);
}

在支持 Sstc 扩展后，可以直接访问 stimecmp 寄存器，避免通过 SBI 调用的方式产生的开销。社区已开展相关工作：RISC-V: Prefer sstc extension if available。

KVM vcpu_timer.c

在 VS 模式下读取 time 时，KVM 会返回真正的 time 加上 htimedelta。

static u64 kvm_riscv_current_cycles(struct kvm_guest_timer *gt)
{
    return get_cycles64() + gt->time_delta;
}

在 VS 模式下设置 mtimecmp 时，KVM 会开启一个已经创建好的高精度定时器，并把定时器的到期时间设置为写入 mtimecmp 值对应的 ns。

int kvm_riscv_vcpu_timer_next_event(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 ncycles)
{
    struct kvm_vcpu_timer *t = &vcpu->arch.timer;
    struct kvm_guest_timer *gt = &vcpu->kvm->arch.timer;
    u64 delta_ns;

    if (!t->init_done)
        return -EINVAL;

    kvm_riscv_vcpu_unset_interrupt(vcpu, IRQ_VS_TIMER);

    delta_ns = kvm_riscv_delta_cycles2ns(ncycles, gt, t);
    t->next_cycles = ncycles;
    hrtimer_start(&t->hrt, ktime_set(0, delta_ns), HRTIMER_MODE_REL);
    t->next_set = true;

    return 0;
}

在定时器到期后，KVM 会为 Guest 产生 TIMER 中断。

static enum hrtimer_restart kvm_riscv_vcpu_hrtimer_expired(struct hrtimer *h)
{
    u64 delta_ns;
    struct kvm_vcpu_timer *t = container_of(h, struct kvm_vcpu_timer, hrt);
    struct kvm_vcpu *vcpu = container_of(t, struct kvm_vcpu, arch.timer);
    struct kvm_guest_timer *gt = &vcpu->kvm->arch.timer;

    if (kvm_riscv_current_cycles(gt) < t->next_cycles) {
        delta_ns = kvm_rizscv_delta_cycles2ns(t->next_cycles, gt, t);
        hrtimer_forward_now(&t->hrt, ktime_set(0, delta_ns));
        return HRTIMER_RESTART;
    }

    t->next_set = false;
    kvm_riscv_vcpu_set_interrupt(vcpu, IRQ_VS_TIMER);

    return HRTIMER_NORESTART;
}

因此 VS 模式设置时钟事件需要通过 SBI 调用进入 HS 模式然后再进入 M 模式，会产生较大的开销。同样，在支持 Sstc 扩展后，可以直接访问 vstimecmp 并产生 timer 中断，社区目前已经开展了相关的工作：RISC-V: KVM: Support sstc extension。

参考文档

  1. RISC-V Platform
  2. RISC-V ISA Specification
  3. RISC-V “stimecmp / vstimecmp” Extension
  4. 基于 FPGA 与 RISC-V 的嵌入式系统设计
  5. RISC-V虚拟化扩展

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