本文节选自孙陈伟著《嵌入式Hypervisor架构、原里与应用》Hypervisor 的关键功能之一是提供虚拟时钟服务。PRTOS 中的虚拟时钟可以为每个分区提供时钟计时，并独立于主机系统时钟，旨在允许虚拟机运行自己的操作系统和应用程序，并协调分区的内部任务，且不会干扰其他分区。虚拟时钟通过截获硬件时钟事件并模拟与时间相关的事件（例如使用定时器中断和时钟滴答）来实现。当分区请求虚拟时钟服务（例如获取当前时间）时，虚拟时钟服务会读取硬件时钟的实时值，并根据分区调度等因素进行调整计算，再返回虚拟时间。在 PRTOS 系统中，分区通过调用 PRTOS 提供的虚拟时钟接口获取当前的时间戳，用于满足以下 5 种需求。1）分区系统可以发现某个陷入死循环（由编程错误引起）的任务，并做出相应处理。2）在分区实时系统中，按要求的时间间隔，为实时控制设备输出正确的时间信号。3）PRTOS 调度程序按照事先给定的时间定时唤醒对应的分区。5）PRTOS 系统记录用户和系统所需要的绝对时间。PRTOS 使用数据结构 hw_clock_t 来管理硬件时钟，具体实现请参考源码 core/include/ktimer.h。硬件时钟是全局时钟，不管是单处理器硬件平台，还是 SMP 硬件平台，都只使用一个全局硬件时钟。针对 Intel X86 硬件平台的 3 种不同的时钟硬件，PRTOS 提供了 3 种时钟驱动，分别是 Intel 8253 时钟驱动、TSC 时钟驱动、HPET（High Precision Event Timer，高精度事件时钟）时钟驱动，如图 3-2 所示。Intel 8253 是一种常见的可编程间隔定时器，常用作计算机系统中的时钟驱动，用于生成精确的时间间隔和周期性中断。Intel 8253 通常由系统软件通过编程来配置和控制，包含 3 个独立的计数器通道，并且每个通道都可以用作定时器或计数器。每个通道都有一个 16 位计数器，可以根据需要进行加载和读取。PRTOS 可以将 Intel 8253 用作系统的时钟源，通过设定计数器的初始值和工作模式生成固定的时钟间隔，用于操作系统的调度和计时。在 X86 单核硬件平台上，PRTOS将 Intel 8253 PIT 的通道 0 作为计时通道，通道 0 的定时器设置为（Binary, Mode 2, LSB/MSB），即周期为 1ms 的周期触发模式，并定义一个全局结构 struct pit_clock_data 来记录PRTOS 启动后的定时中断发生次数，再结合当前通道 0 中计数器的值，可以计算出 PRTOS自启动后到当前时刻的精确到微秒的时间戳。具体实现参考 PRTOS 源码 core/kernel/x86/pit.c。
TSC 是一个 64 位的寄存器，从 Intel Pentium 开始，在所有的 X86 平台上均会提供。它存放的是 CPU 从启动以来执行的时钟周期，因此可以用来精确地测量程序的执行时间。TSC 由处理器硬件提供，因此它的计时操作比使用软件定时器要快得多，这使得 TSC 成为性能分析和调试工具中的一个重要组件。在某些情况下，使用 TSC 进行时间测量可以提高精度，并且不会受到操作系统时钟频率调整的影响。要使用 TSC，需要使用相关的 CPU 指令来读取 TSC 寄存器的值。例如，在 X86 架构中，可以使用 rdtsc 指令来读取 TSC 寄存器的值。rdtsc 指令将 TSC 寄存器的值读取到EDX:EAX 寄存器中（高 32 位保存在 EDX 寄存器中，低 32 位保存在 EAX 寄存器中）。由于 TSC 是对驱动 CPU 的时钟脉冲进行计数的，因此 TSC 的频率就是 CPU 的时钟频率。基于 TSC 的时钟驱动实现，请参考 PRTOS 源码 core/kernel/x86/tsc.c。
提示：TSC 也存在一些限制。由于 TSC 基于 CPU 主频（记录 CPU 的时钟脉冲），因此在多核 CPU 或 CPU 频率变化的情况下，不同处理器核心或不同 CPU 之间的 TSC 可能不同步，导致计时不准确。为了解决这个问题，一些处理器提供了 TSC 同步机制，例如 Intel 的 TSC 同步引擎（TSC Sync Engine）和 AMD 的 TSC 同步模式（TSC SyncMode）。另外，TSC 还可能受到频率变化、睡眠模式和动态频率调整等因素的影响。比如，空闲的操作系统内核可能会调用 HALT 指令，使处理器完全停止，直到接收到外部中断被唤醒，在此期间 TSC 停止计数。
HPET 是一种高精度定时器。它是一种系统级别的硬件设备，通常用于代替早期的定时器，如 Intel 8253 PIT。与早期的定时器相比，HPET 具有更高的分辨率和更准确的时钟频率，并且可以更精确地测量和记录系统事件和时间间隔。HPET 通常由系统主板上的芯片提供支持，并且可以在 BIOS 中进行配置。具体实现可参考 PRTOS 源码 core/kernel/x86/hpet.c。
提示：在 X86 单处理器硬件平台中，PRTOS 用 Intel 8253 PIT 或者 TSC 定时器作为时钟源；在 X86 多处理器硬件平台中，PRTOS 用 HEPT 定时器作为时钟源。
PRTOS 的定时器组件用于分区调度、追踪分区中的时间以及处理虚拟机中的事件。类似 PRTOS 的时钟硬件，PRTOS 也为硬件定时器定义了一组驱动。PRTOS 使用定时器驱动数据结构 hw_timer_t 来管理硬件定时器，具体定义请参考源码core/include/ktimer.h。硬件定时器资源属于 Per-CPU 资源。不管是单处理器硬件平台还是多处理器硬件平台，硬件定时器和 pCPU 都是一一对应关系，每个 pCPU 独占一个硬件定时器。PRTOS 的 hw_timer_t 定时器接口基于 3 种不同的定时器硬件提供了 3 种类型的定时器驱动，分别是 Intel 8253 定时器驱动、HPET 定时器驱动和 LAPIC（Local AdvancedProgrammable Interrupt Controller，本地高级可编程中断控制器）定时器驱动，如图 3-3所示。
提示：Per-CPU 资源是每个 CPU 专用的资源，只有所属的 CPU 才可以访问。如果 PRTOS 选中 Intel 8253 PIT 作为硬件时钟源（即 CONFIG_PC_PIT_CLOCK 宏将被定义），PIT 的通道 1 定时器工作在周期性触发模式，PRTOS 使用全局变量 pit_clock_data来记录时钟中断的触发次数，以辅助实现 PRTOS 的时钟驱动。Intel 8253 PIT 定时器驱动的实现，请参考 PRTOS 源码 core/kernel/x86/pit.c。
提示：32 位 X86 单核处理器硬件平台（基于 QEMU 或者 VMware Workstation 创建）均采用 Intel 8253 作为定时器硬件。
HPET 定时器驱动用于操作和管理 HPET 硬件定时器。使用 HPET 定时器驱动可以在PRTOS 中实现高精度的定时功能，从而满足实时性要求高的应用程序和系统的需求。在PRTOS 内核中，HPET 的管理机制和 Intel 8253（或 Intel 8254）PIT 类似，具体实现可参考源码 core/kernel/x86/hpet.c。LAPIC 定时器是集成在 pCPU 中的本地定时器，用于提供处理器级别的定时和中断功能。LAPIC 定时器驱动用于操作和管理 LAPIC 定时器，它对于实现处理器级别的定时和中断功能非常重要，在操作系统和应用程序中应用广泛，用于实现定时任务、计时、事件触发和性能测量等功能。LAPIC 定时器的具体实现可参考 PRTOS 源码 core/kernel/x86/lapic_timer.c。
提示：硬件定时器是 Per-CPU 专用的硬件资源。在单处理器硬件平台上，无论选择Intel 8253 PIT 定时器，还是选择 HPET 硬件定时器，定时器资源都是 Per-CPU 类型的；在多处理器硬件平台上，LAPIC 定时器集成在 CPU 内部。当 PRTOS 配置成支持 SMP模式时，只能选择 LAPIC 定时器。
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