研究ARMv8-A中的一个概念：通用计时器

今天花点时间研究一下ARMv8-A中的一个概念：通用计时器（Generic Timer）。

通用计时器为ARM的处理器核提供了一个标准化的计时器框架。通用计时器包含一个系统计数器（System Counter）和每个处理器核自己的计时器（per-core timer），如下图。图中的PE（Processor Element）代表处理器核。

系统计数器需要保证在芯片上电启动后一直保持工作，且以固定的时钟频率单调递增计数。系统计数器的数值需要广播给所有的处理器。在多核处理器架构中，即使某些处理器核出于某些原因（节省功耗，生成故障等等）关闭电源，系统计数器仍能为处于工作状态的处理器核提供计数值。

ARM建议系统计数器是56-64bit宽度，工作频率在1-50MHz。我们以最小宽度56bit和最高速度50MHz来计算，计数器溢出需要大概 2^56/（5010^6606024*365），约为45年。此处只是给出大概的计算，具体的计数器设计要根据实际需求确定。

不知道大家看到这里发现没有，系统计数器只是单调的递增，并不能反映真实物理世界的时间（年，月，日，时，分，秒）。也就是说，SoC还需要板级提供一个RTC（Real-Time Clock），以供给真实时间。

每个处理器有一组计时器。这些计时器本质上是比较器，软件可以设置这些处理器本地计时器的数值，并且与系统计数器广播来的值作比较。当计满后，触发中断（Interrupt）或者事件（Event）。前面讲GIC（Generic Interrupt Controller）和虚拟化的时候都有提及相关内容。

ARMv8-A中的处理器计时器如下表：

好了，基本的概念介绍完了，接下来看一看Generic Timer在具体实现时会遇到的一些问题。

首先，系统计数器需要传输给处理器核，系统计数器工作在低频下（MHz），而处理器工作在高频下（GHz），如何在两个时钟频率下传输一组数值？这个问题可以通过二进制和格雷码转换来解决。系统计数器的数值转换成格雷码，以格雷码的形式在芯片中传播；在处理器端，先做跨时钟域采样，这样会保证采样不会采错，然后格雷码转换成二进制。

第二个问题，是多核处理器芯片中要面临的。系统计数器的值要传播给所有的处理器。这时，需要一定的机制保证该值同一时刻（此处不是绝对意义的分毫不差）到达每个处理器端。否则的话，可能会引发错误。例如，假设两个处理器A核B，处理器A端的系统计数器值更新快于处理器B端。处理器A以接收到的系统计数器值为时间戳，发送一个消息给处理器B；处理器B接收到消息后，看到的本地系统计数值如果早于消息中的时间戳，那就肯定不对了（不能接收来自未来的消息吧）。我在ARM的文档中没有找到ARM有什么推荐方案，个人感觉可以通过格雷码打多拍的方式在整个SoC中传播。这样可以保证从系统计数器传播到每个处理器入口端的延时一样，至于每个处理器内部跨时钟域转换造成的偏差，可以认为是系统计数器时钟的抖动（jitter），忽略不计。

第三个问题，是多芯片间的同步问题。一个SMP可能由多个处理器芯片组成，每个处理器芯片有自己的系统计数器。但是SMP要求多芯片内的所有处理器时间保持一致（类似单芯片中的多核间需要一致）。ARM在其参考设计中提供了一个解决方案，使用两个芯片管脚SYNCREQ和SYNCACK实现一组握手协议。芯片间的同步通过这两个专用接口和CCIX消息来完成。

在以下情况下，通过CCIX将消息写入memory-mapped寄存器：

• 主设备向从设备发送未来的Tupdate时间值
• 从机使用接口重置主状态机的任何错误状态

1. 从机在T0时刻置位SYNCACK，以指示主机开始同步；作为响应，主机置位SYNCREQ；随后从机取消SYNCACK置位；主机取消SYNCREQ置位。

2. 主机在T2时刻置位SYNCREQ，发起同步；从机在T3时刻置位SYNCACK，表示接受同步；主机在T4时刻检测到SYNCACK，随后主机取消SYNCREQ的置位；从机取消SYNCACK置位。从主机发起到从机响应，之间的延迟Tdelay=（T4-T2）/2，这里的时间T4，T2都是主机端的时间，所以计算单向延迟要除以2。

3. 主机在T5时刻通过CCIX发送Tupdtvalue；从机在T6时刻接收到。

未来时间值：Tupdtvalue=T5+X，X=Tdelay+Tccix_network_delay

4. 主机在T7（= Tupdtvalue- Tdelay）时刻置位发起同步更新给从机；从机在T8时刻响应，置位SYNCACK，注意这个T8是指从机端的时刻。

• 如果Tupdtsave
• 如果|Tupdtsave-T8|>OFFSET_THRESHOLD，向SCP发中断
• 否则，从机将使用先前接收到的Tupdtvalue更新其本地时间
• 如果从机在T8没有从主机接收到Tupdate值，则从机将等待直到接收到该值。然后从机立即启动另一个同步，并忽略收到的Tupdate值

上面是文档里的内容，我再通俗的解释一下第4步。主机预估了一个时间值Tupdtsave（这个时间包含了第2步计算出的接口延时和CCIX上的传输延时），通过CCIX发给从机；从机在T8时刻收到该值，并开始比较，如果T8大，说明从机时间超前了需要停下来等待；如果T8和Tupdtsave大于门限值，说明主机和从机之间的时间差距较大；只有两者接近时，说明主机和从机的差距可以忽略。

该同步过程按软件编程的固定时间间隔重复。下图是同步成功和失败的时序图。

此同步逻辑在每个主机和从机之间成对复制，所以对于具有四芯片系统，有三个这种实例化模块。

个人认为这种，这种方案有一个好处，就是冗余度大。

关于chip-chip的时间同步，其实还有很多种方法，比如IEEE，PCIe等，都提供了解决方案。笔者认为，具体在SoC中的实现方案取决于软件对于时间偏差的容忍度。

是不是以为到了这里就结束了？然而并没有。在Armv8.4-A中，引入了一个概念，计数器缩放（Counter Scaling）。在此之前，系统计数器在每个时钟周期内加1。有了计数器缩放，可以每个周期增加X，X不必是1。实现方式如下，系统计数器扩展为88-bit，其中高64-bit表示整数部分，低24-bit表示分数部分。

并且定义了一个32-bit的增量寄存器CNTSCR，其中高8-bit表示整数部分，低24-bit表示分数部分。例如，当设置CNTSCR为0x0180_0000时，每个时钟周期系统计数器增加1.5（整数部分是1，分数部分是0.5）。

系统计数器提供两个寄存器组：CNTControlBase和CNTReadBase。CNTControlBase用于安全访问，定义如下：

CNTReadBase是CNTControlBase的副本，仅包括CNTCV寄存器。也就是说CNTReadBase只报告当前系统计数值。与CNTControlBase不同的是，非安全访问可以访问CNTReadBase。即非安全软件可以读取当前计数，但不能配置系统计数器。