Timers

タイマー @uchan_nos 第14回 自作OSもくもく会 2019/01/20

時間計測の必要性 • 時計表示 • タスク切り替え • sleep関数の実装 • 時間計測はOSを構成する基礎技術の1つ

パソコン用タイマーの種類 • PIT • RTC • HPET • ACPI PM Timer • Local APIC Timer • TSC

PIT • PIT: Programmable Interval Timer • Programmable = 周期などを設定できる • Interval = 間隔 • 「30日でできる！OS自作入門」でおなじみ • 一定周期ごとに割り込みを発生させる • ビープ音を鳴らす • レガシーデバイス

RTC • RTC: Real Time Clock • 日時（年月日，時分秒）を扱う時計 • バッテリバックアップされている唯一のタイマー • レガシーデバイス

HPET • HPET: High Precision Event Timer • High Precision = 高精度 • Event = ？（特に意味はないと思う） • 分解能が100nsより優れていることが保証されている • = 周波数が10MHz以上 • 割り込みを発生させられる • レガシーデバイス（後述）

ACPI PM Timer • PM: Power Management • Power Management = 電源管理 • ACPI規格で定められているタイマー • もともとはスリープ状態の時間を測るため，らしい • でも，汎用的に使える

Local APIC Timer • Local APIC規格で定められたタイマー • Local = CPUコア内 • APIC = Advanced Programmable Interrupt Controller • 各CPUコア内に存在する → 使用時オーバーヘッドが小さい • 割り込みを発生させられる

TSC • TSC: Time Stamp Counter • 各CPUコア内に存在する • CPUの動作クロックを数えるカウンタ • CPUが省電力状態になっても周波数が変わらないもの → Invariant TSC

タイマーまとめ 名前 周波数 割り込み レガシー PIT 1.193182MHz 可 レガシー RTC 32.768KHz 可 レガシー HPET 機種依存，レジスタから取得可 可 レガシー ACPI PM Timer 3.579545MHz 不可 Local APIC Timer 機種依存，取得不可 可 TSC 機種依存，取得不可 不可 Invariant TSC 機種依存，レジスタから取得可 不可

レガシーデバイス • Legacy = 遺産 • 現代におけるレガシーデバイスの定義（筆者独自の定義） • 存在をシステマチックに確かめる術がないもの • レジスタにアクセスしてみないとデバイスの有無が分からない • 電源管理できないもの • 省電力モードでも常に動き続ける • この定義で行けばHPETはレガシーではないが…

HPETはレガシーデバイスか • “N-series Intel Pentium Processors and Intel Celeron Processors Datasheet - Volume 1 of 3”, Feb. 2016 • によれば，NシリーズのPentiumおよびCeleronでは HPETはPCU-iLB内に存在 • PCU = Platform Controller Unit • iLB = The Intel Legacy Block • iLBは8259 PIC, I/O-APIC, 8254 PIT, HPET, RTCを含む • → HPETはレガシーデバイスの仲間！

XSDTを確認してみる • XSDT = ACPIのルートテーブル • NシリーズCerelon搭載パソコン • CPU: Celeron N3050 • PC名: Shuttle XS36V5 • 確かにHPETがXSDTに無い！ • ちなみにQEMUでは FACP, APIC, HPET, BGRT が見える

筆者おすすめの組み合わせ • 初期計時：ACPI PM Timer • 普段使い：Local APIC Timer • ACPI PM Timerは規格ではオプショナルだが事実上標準ぽい • https://japan.zdnet.com/article/20365868/ • 「ACPI対応のマザーボードであれば、このタイマーが提供される。」 • Local APIC TimerはIntel SDMに載っている標準デバイス

• https://japan.zdnet.com/article/20365868/

初期計時のためのタイマー選定 1/2 • 最初から動作周波数が分かっているタイマーを使って Local APIC Timerの周波数を測りたい • 動作周波数が既知のタイマー • • • • • PIT RTC HPET ACPI PM Timer Invariant TSC • なるべく分解能が優れ，レガシーでないタイマーを選びたい

初期計時のためのタイマー選定 2/2 • レガシーでない，周波数が既知のタイマー • ACPI PM Timer • Invariant TSC • Invariant TSCはレジスタから周波数を取得できるが， BIOSの設定によってはズレることがある • Bus Clockを変更するとズレる • CPUによってはTSCがInvariantではない • ということで，ACPI PM Timerを選ぶのをおすすめする

普段使いのためのタイマー選定 • 割り込みに対応したタイマーの中で， 動作オーバーヘッドが小さいものを使いたい • 割り込みに対応したタイマー • • • • PIT RTC HPET Local APIC Timer • この中でレガシーでないのはLocal APIC Timerのみ • 動作オーバーヘッドが最も小さいのもLocal APIC Timer

タイマーの接続図 • Local APIC Timer, TSC • CPUコア内に実装されている CPUコア TSC Local APIC Timer • PIT, RTC, HPET, ACPI PM Timer • CPU外に実装されている • アーキテクチャ依存の場所 • Intel 5シリーズ以降はPCH内 バス Platform Controller Hub PIT RTC HPET ACPI PM Timer

ACPI PM Timerの使い方 UEFIで起動してからタイマーで時間を測るまでの道のり

大まかな流れ • ACPIのXSDTを得る • XSDTからFADTを探す • FADTのPM_TMR_BLKレジスタを読む • TMR_VALレジスタを読む

XSDTを得る • ACPIのXSDTを取得する • UEFI環境での方法は大神さんの同人誌が参考になる • 『フルスクラッチで作る!x86_64自作OS パート2』 http://yuma.ohgami.jp/x86_64-Jisaku-OS-2/01_acpi.html • • • • • ざっくり言うと EFI_SYSTEM_TABLE → EFI_CONFIGURATION_TABLE → RSDP → XSDT

• http://yuma.ohgami.jp/x86_64-Jisaku-OS-2/01_acpi.html

XSDTからFADTを探す • FADTのシグネチャは”FACP” • テーブル名とシグネチャが異なるので注意！ • XSDTは64ビットアドレスの配列 • 順にアドレスが指す先を読んでFADTを探す

Sig = “FACP”である ディスクリプタを探す ACPI Specification, Version 6.2 Errata Aより

FADTのPM_TMR_BLKレジスタを読む • FADTの位置が分かればPM_TMR_BLKレジスタを読める • PM_TMR_BLKはFADT先頭から76バイト目

ACPI Specification, Version 6.2 Errata Aより

TMR_VALレジスタを読む • PM_TMR_BLKはACPI PM Timer関連の レジスタブロックを指すアドレス • PM_TMR_BLKの説明に“System port address”とある • メモリアドレスではなくI/Oポートのアドレスである • movではなく，in命令で読む • uint32_t pm_tmr_blk = *(uint32_t*)(fadt_addr + 76); • uint32_t tmr_val = io_in32(pm_tmr_blk);

TMR_VALレジスタ • 3.579545MHzでカウントアップし続ける • 24ビットで1周 = 約4.69秒で1周 • 時間を測るにはこんな風にする（1秒測る例） • uint32_t initial_val = io_in32(pm_tmr_blk); • uint32_t target_val = initial_val + 3579545; • While (io_in32(pm_tmr_blk) < target_val); target_valが 24ビット以上に ならないように 注意

Local APIC Timerの使い方

LVT Timerレジスタを設定 • LVT Timerレジスタ = FEE0 0320H • ビット18:17でモードを設定 • 00b: One-shotモード • 01b: Periodicモード • 10b: TSC-deadlineモード • 他のビットは割り込み関係の設定． • ビット16を1にしておくと割り込みが発生しない．

Initial Countレジスタを設定 • Initial Countレジスタ = FEE0 0380H • 0より大きな値を書くとタイマーの動作開始 • One-shotモード • 値がCurrent Countレジスタにコピーされ， Current Countレジスタがカウントダウンされる • Periodicモード • Current Countレジスタが0になると割り込み発生後， Initial Countレジスタから値が再設定される • 詳しくはIntel SDM Vol.3, “10.5.4 APIC Timer”

Periodicモード Current Countレジスタの値 N 0 時刻 Initial Countレジスタ に値Nを書き込む 割り込み 割り込み

補足： レジスタアドレスの謎 • Local APIC Timer関連のレジスタはアドレス固定 • Initial Countレジスタ = FEE0 0380H • LVT Timerレジスタ = FEE0 0320H • しかし，Local APIC Timerは各コア毎に存在するはず • 同じアドレスなのに，なぜ区別できるのだろうか

CPUコア1 EBX 0003 0000 EAX FEE0 0320 mov [eax], ebx メモリバス アドレスデコーダ LVT Timer Initial Count FEE0 0000H - FEE0 0400H DDR SDRAM CPUコアN Local APICレジスタへのアクセスは CPUコア内部で完結する →同じアドレスでも競合しない