x86 idle: Fix mwait deprecation warning message
[linux-2.6.git] / Documentation / timers / highres.txt
1 High resolution timers and dynamic ticks design notes
2 -----------------------------------------------------
3
4 Further information can be found in the paper of the OLS 2006 talk "hrtimers
5 and beyond". The paper is part of the OLS 2006 Proceedings Volume 1, which can
6 be found on the OLS website:
7 http://www.linuxsymposium.org/2006/linuxsymposium_procv1.pdf
8
9 The slides to this talk are available from:
10 http://tglx.de/projects/hrtimers/ols2006-hrtimers.pdf
11
12 The slides contain five figures (pages 2, 15, 18, 20, 22), which illustrate the
13 changes in the time(r) related Linux subsystems. Figure #1 (p. 2) shows the
14 design of the Linux time(r) system before hrtimers and other building blocks
15 got merged into mainline.
16
17 Note: the paper and the slides are talking about "clock event source", while we
18 switched to the name "clock event devices" in meantime.
19
20 The design contains the following basic building blocks:
21
22 - hrtimer base infrastructure
23 - timeofday and clock source management
24 - clock event management
25 - high resolution timer functionality
26 - dynamic ticks
27
28
29 hrtimer base infrastructure
30 ---------------------------
31
32 The hrtimer base infrastructure was merged into the 2.6.16 kernel. Details of
33 the base implementation are covered in Documentation/hrtimers/hrtimer.txt. See
34 also figure #2 (OLS slides p. 15)
35
36 The main differences to the timer wheel, which holds the armed timer_list type
37 timers are:
38        - time ordered enqueueing into a rb-tree
39        - independent of ticks (the processing is based on nanoseconds)
40
41
42 timeofday and clock source management
43 -------------------------------------
44
45 John Stultz's Generic Time Of Day (GTOD) framework moves a large portion of
46 code out of the architecture-specific areas into a generic management
47 framework, as illustrated in figure #3 (OLS slides p. 18). The architecture
48 specific portion is reduced to the low level hardware details of the clock
49 sources, which are registered in the framework and selected on a quality based
50 decision. The low level code provides hardware setup and readout routines and
51 initializes data structures, which are used by the generic time keeping code to
52 convert the clock ticks to nanosecond based time values. All other time keeping
53 related functionality is moved into the generic code. The GTOD base patch got
54 merged into the 2.6.18 kernel.
55
56 Further information about the Generic Time Of Day framework is available in the
57 OLS 2005 Proceedings Volume 1:
58 http://www.linuxsymposium.org/2005/linuxsymposium_procv1.pdf
59
60 The paper "We Are Not Getting Any Younger: A New Approach to Time and
61 Timers" was written by J. Stultz, D.V. Hart, & N. Aravamudan.
62
63 Figure #3 (OLS slides p.18) illustrates the transformation.
64
65
66 clock event management
67 ----------------------
68
69 While clock sources provide read access to the monotonically increasing time
70 value, clock event devices are used to schedule the next event
71 interrupt(s). The next event is currently defined to be periodic, with its
72 period defined at compile time. The setup and selection of the event device
73 for various event driven functionalities is hardwired into the architecture
74 dependent code. This results in duplicated code across all architectures and
75 makes it extremely difficult to change the configuration of the system to use
76 event interrupt devices other than those already built into the
77 architecture. Another implication of the current design is that it is necessary
78 to touch all the architecture-specific implementations in order to provide new
79 functionality like high resolution timers or dynamic ticks.
80
81 The clock events subsystem tries to address this problem by providing a generic
82 solution to manage clock event devices and their usage for the various clock
83 event driven kernel functionalities. The goal of the clock event subsystem is
84 to minimize the clock event related architecture dependent code to the pure
85 hardware related handling and to allow easy addition and utilization of new
86 clock event devices. It also minimizes the duplicated code across the
87 architectures as it provides generic functionality down to the interrupt
88 service handler, which is almost inherently hardware dependent.
89
90 Clock event devices are registered either by the architecture dependent boot
91 code or at module insertion time. Each clock event device fills a data
92 structure with clock-specific property parameters and callback functions. The
93 clock event management decides, by using the specified property parameters, the
94 set of system functions a clock event device will be used to support. This
95 includes the distinction of per-CPU and per-system global event devices.
96
97 System-level global event devices are used for the Linux periodic tick. Per-CPU
98 event devices are used to provide local CPU functionality such as process
99 accounting, profiling, and high resolution timers.
100
101 The management layer assigns one or more of the following functions to a clock
102 event device:
103       - system global periodic tick (jiffies update)
104       - cpu local update_process_times
105       - cpu local profiling
106       - cpu local next event interrupt (non periodic mode)
107
108 The clock event device delegates the selection of those timer interrupt related
109 functions completely to the management layer. The clock management layer stores
110 a function pointer in the device description structure, which has to be called
111 from the hardware level handler. This removes a lot of duplicated code from the
112 architecture specific timer interrupt handlers and hands the control over the
113 clock event devices and the assignment of timer interrupt related functionality
114 to the core code.
115
116 The clock event layer API is rather small. Aside from the clock event device
117 registration interface it provides functions to schedule the next event
118 interrupt, clock event device notification service and support for suspend and
119 resume.
120
121 The framework adds about 700 lines of code which results in a 2KB increase of
122 the kernel binary size. The conversion of i386 removes about 100 lines of
123 code. The binary size decrease is in the range of 400 byte. We believe that the
124 increase of flexibility and the avoidance of duplicated code across
125 architectures justifies the slight increase of the binary size.
126
127 The conversion of an architecture has no functional impact, but allows to
128 utilize the high resolution and dynamic tick functionalities without any change
129 to the clock event device and timer interrupt code. After the conversion the
130 enabling of high resolution timers and dynamic ticks is simply provided by
131 adding the kernel/time/Kconfig file to the architecture specific Kconfig and
132 adding the dynamic tick specific calls to the idle routine (a total of 3 lines
133 added to the idle function and the Kconfig file)
134
135 Figure #4 (OLS slides p.20) illustrates the transformation.
136
137
138 high resolution timer functionality
139 -----------------------------------
140
141 During system boot it is not possible to use the high resolution timer
142 functionality, while making it possible would be difficult and would serve no
143 useful function. The initialization of the clock event device framework, the
144 clock source framework (GTOD) and hrtimers itself has to be done and
145 appropriate clock sources and clock event devices have to be registered before
146 the high resolution functionality can work. Up to the point where hrtimers are
147 initialized, the system works in the usual low resolution periodic mode. The
148 clock source and the clock event device layers provide notification functions
149 which inform hrtimers about availability of new hardware. hrtimers validates
150 the usability of the registered clock sources and clock event devices before
151 switching to high resolution mode. This ensures also that a kernel which is
152 configured for high resolution timers can run on a system which lacks the
153 necessary hardware support.
154
155 The high resolution timer code does not support SMP machines which have only
156 global clock event devices. The support of such hardware would involve IPI
157 calls when an interrupt happens. The overhead would be much larger than the
158 benefit. This is the reason why we currently disable high resolution and
159 dynamic ticks on i386 SMP systems which stop the local APIC in C3 power
160 state. A workaround is available as an idea, but the problem has not been
161 tackled yet.
162
163 The time ordered insertion of timers provides all the infrastructure to decide
164 whether the event device has to be reprogrammed when a timer is added. The
165 decision is made per timer base and synchronized across per-cpu timer bases in
166 a support function. The design allows the system to utilize separate per-CPU
167 clock event devices for the per-CPU timer bases, but currently only one
168 reprogrammable clock event device per-CPU is utilized.
169
170 When the timer interrupt happens, the next event interrupt handler is called
171 from the clock event distribution code and moves expired timers from the
172 red-black tree to a separate double linked list and invokes the softirq
173 handler. An additional mode field in the hrtimer structure allows the system to
174 execute callback functions directly from the next event interrupt handler. This
175 is restricted to code which can safely be executed in the hard interrupt
176 context. This applies, for example, to the common case of a wakeup function as
177 used by nanosleep. The advantage of executing the handler in the interrupt
178 context is the avoidance of up to two context switches - from the interrupted
179 context to the softirq and to the task which is woken up by the expired
180 timer.
181
182 Once a system has switched to high resolution mode, the periodic tick is
183 switched off. This disables the per system global periodic clock event device -
184 e.g. the PIT on i386 SMP systems.
185
186 The periodic tick functionality is provided by an per-cpu hrtimer. The callback
187 function is executed in the next event interrupt context and updates jiffies
188 and calls update_process_times and profiling. The implementation of the hrtimer
189 based periodic tick is designed to be extended with dynamic tick functionality.
190 This allows to use a single clock event device to schedule high resolution
191 timer and periodic events (jiffies tick, profiling, process accounting) on UP
192 systems. This has been proved to work with the PIT on i386 and the Incrementer
193 on PPC.
194
195 The softirq for running the hrtimer queues and executing the callbacks has been
196 separated from the tick bound timer softirq to allow accurate delivery of high
197 resolution timer signals which are used by itimer and POSIX interval
198 timers. The execution of this softirq can still be delayed by other softirqs,
199 but the overall latencies have been significantly improved by this separation.
200
201 Figure #5 (OLS slides p.22) illustrates the transformation.
202
203
204 dynamic ticks
205 -------------
206
207 Dynamic ticks are the logical consequence of the hrtimer based periodic tick
208 replacement (sched_tick). The functionality of the sched_tick hrtimer is
209 extended by three functions:
210
211 - hrtimer_stop_sched_tick
212 - hrtimer_restart_sched_tick
213 - hrtimer_update_jiffies
214
215 hrtimer_stop_sched_tick() is called when a CPU goes into idle state. The code
216 evaluates the next scheduled timer event (from both hrtimers and the timer
217 wheel) and in case that the next event is further away than the next tick it
218 reprograms the sched_tick to this future event, to allow longer idle sleeps
219 without worthless interruption by the periodic tick. The function is also
220 called when an interrupt happens during the idle period, which does not cause a
221 reschedule. The call is necessary as the interrupt handler might have armed a
222 new timer whose expiry time is before the time which was identified as the
223 nearest event in the previous call to hrtimer_stop_sched_tick.
224
225 hrtimer_restart_sched_tick() is called when the CPU leaves the idle state before
226 it calls schedule(). hrtimer_restart_sched_tick() resumes the periodic tick,
227 which is kept active until the next call to hrtimer_stop_sched_tick().
228
229 hrtimer_update_jiffies() is called from irq_enter() when an interrupt happens
230 in the idle period to make sure that jiffies are up to date and the interrupt
231 handler has not to deal with an eventually stale jiffy value.
232
233 The dynamic tick feature provides statistical values which are exported to
234 userspace via /proc/stats and can be made available for enhanced power
235 management control.
236
237 The implementation leaves room for further development like full tickless
238 systems, where the time slice is controlled by the scheduler, variable
239 frequency profiling, and a complete removal of jiffies in the future.
240
241
242 Aside the current initial submission of i386 support, the patchset has been
243 extended to x86_64 and ARM already. Initial (work in progress) support is also
244 available for MIPS and PowerPC.
245
246           Thomas, Ingo
247
248
249