摘 要：嵌入式設(shè)備硬件資源相對受限，實(shí)時(shí)響應(yīng)性要求高，但當(dāng)前基于QEMU的MIPS架構(gòu)模擬器的處理器時(shí)鐘精度低，虛擬機(jī)每計(jì)時(shí)1 ms對應(yīng)真實(shí)時(shí)間誤差大于50倍。為提升虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)性，對處理器時(shí)鐘仿真技術(shù)進(jìn)行研究，基于開源仿真框架QEMU，分析了MIPS架構(gòu)下處理器模型的時(shí)鐘初始化及時(shí)鐘中斷觸發(fā)方式，同時(shí)查閱天脈操作系統(tǒng)中關(guān)于處理器時(shí)鐘的配置代碼及系統(tǒng)運(yùn)行tick計(jì)數(shù)方式，找出了時(shí)鐘中斷觸發(fā)不穩(wěn)定的原因，通過修改處理器的時(shí)鐘模型代碼，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)每計(jì)時(shí)1 ms，對應(yīng)真實(shí)時(shí)間最大誤差小于2倍，有效提升了模擬器的時(shí)鐘精度。

關(guān)鍵詞：處理器時(shí)鐘；QEMU；虛擬仿真；MIPS

中圖分類號：TP311.5" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0018-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.005

0" " 引言

嵌入式設(shè)備硬件資源相對受限、實(shí)時(shí)響應(yīng)性要求高。其中，實(shí)時(shí)性是虛擬化技術(shù)需要面對的最重要的問題之一，在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)和硬件之間增加了一個(gè)宿主機(jī)操作系統(tǒng)層，將影響虛擬機(jī)程序的實(shí)時(shí)性能。而當(dāng)前在服務(wù)器和桌面領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主流虛擬化方案，其設(shè)計(jì)之初并沒有考慮嵌入式領(lǐng)域的特殊需求，因此在實(shí)時(shí)性能上表現(xiàn)并不理想[1]。

可確定性是實(shí)時(shí)的最本質(zhì)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)程序的可確定性有兩個(gè)方面：運(yùn)行可確定性和中斷響應(yīng)可確定性。運(yùn)行可確定指某一段代碼執(zhí)行時(shí)間可確定，而中斷響應(yīng)可確定指從硬件發(fā)出中斷到響應(yīng)中斷的程序開始執(zhí)行之間的時(shí)間可確定。

處理器時(shí)鐘是一個(gè)周期性的電脈沖信號，用于同步處理器內(nèi)部的各個(gè)操作步驟，因此，實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)是高精度的處理器時(shí)鐘。

本文通過深入分析處理器時(shí)鐘的說明文檔、處理器時(shí)鐘模型代碼以及天脈操作系統(tǒng)對處理器時(shí)鐘配置的驅(qū)動(dòng)代碼，根據(jù)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)代碼對處理器時(shí)鐘的配置方法，找出了處理器時(shí)鐘模型中斷觸發(fā)不穩(wěn)定的原因。通過修改模型代碼，完成了處理器時(shí)鐘精度的提升。

修改后的處理器時(shí)鐘模型實(shí)時(shí)性得到了有效提升，可以更好地支撐軟件在虛擬機(jī)上開發(fā)驗(yàn)證，大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。另外，在硬件發(fā)布之前，開發(fā)人員可以選擇在虛擬機(jī)上完成更多的測試，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1" " 技術(shù)背景

1.1" " 處理器時(shí)鐘簡介

處理器時(shí)鐘是處理器內(nèi)部的一種計(jì)時(shí)器，是處理器執(zhí)行操作的基本的時(shí)間單位，在計(jì)算機(jī)中是通過晶振產(chǎn)生的脈沖信號來計(jì)時(shí)，這些脈沖信號具有一定的頻率，稱為時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率越高，處理器每秒可以執(zhí)行的指令數(shù)量就越多，性能也就越強(qiáng)[2]。

時(shí)鐘周期是處理器執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作所需要的時(shí)間，它是時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。CPU中的每個(gè)操作至少需要一個(gè)時(shí)鐘周期來完成，時(shí)鐘周期提供了一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，使得不同的硬件組件和指令能夠按照同樣的時(shí)間節(jié)奏進(jìn)行操作。各個(gè)組件和指令可以根據(jù)時(shí)鐘信號的跳變來確定何時(shí)開始和結(jié)束各自的操作，從而實(shí)現(xiàn)同步和協(xié)調(diào)。

處理器時(shí)鐘周期是影響計(jì)算機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。時(shí)鐘周期越短，處理器可以獲取的執(zhí)行次數(shù)越多，計(jì)算機(jī)性能就會越高，但是，這也會使處理器產(chǎn)生更多的熱量，從而引發(fā)故障。同時(shí)，較高頻率的處理器也需要更高程度的電壓保持系統(tǒng)運(yùn)行，這也會導(dǎo)致更多的能量被使用和釋放，從而增加了能源的消耗。因此，處理器時(shí)鐘的選擇會權(quán)衡性能和功耗兩方面因素。

1.2" " 處理器時(shí)鐘配置方法

MIPS架構(gòu)的處理器中一般包含一個(gè)NODE PLL用于產(chǎn)生node時(shí)鐘，生成穩(wěn)定且準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號，供CPU核、二級緩存Cache、一二級交叉開關(guān)及IO子網(wǎng)絡(luò)使用。node時(shí)鐘的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輸出時(shí)鐘頻率的計(jì)算方式如下：

node_clock=（refclk/L1_div_ref）*（L1_loopc/L2_divout）

node_clock的分頻系數(shù)及倍頻系數(shù)是可以配置的，但需要保證可配分頻器的輸出refclk/L1_div_ref在合理范圍內(nèi)。輸出的時(shí)鐘還可以由FREQ_SCALE模塊進(jìn)行細(xì)粒度分頻控制[3]。

當(dāng)SYS_CLKSEL設(shè)置為0x2b10時(shí)，表示PLL頻率通過軟件配置，這種配置下，默認(rèn)對應(yīng)的時(shí)鐘頻率為外部參考時(shí)鐘頻率，即所有PLL輸出都是SYS_SYSCLK，需要在處理器啟動(dòng)過程中對時(shí)鐘進(jìn)行軟件配置[4]。時(shí)鐘設(shè)置過程如下：

1）將對應(yīng)的PLL的PD信號設(shè)置為1；

2）設(shè)置除了sel_pll_*及soft_set_pll之外的其他寄存器，即這兩個(gè)寄存器在設(shè)置的過程中寫為0；

3）將對應(yīng)的PLL的PD信號設(shè)置為0；

4）其他寄存器值不變，將soft_set_pll設(shè)置為1；

5）等待寄存器中的鎖定信號locked_*為1；

6）設(shè)置sel_pll_*為1，此時(shí)對應(yīng)的時(shí)鐘頻率將切換為軟件設(shè)置的頻率。

2" " 處理器時(shí)鐘仿真研究

2.1" " QEMU時(shí)鐘模型

QEMU（Quick EMUIator）在進(jìn)行處理器時(shí)鐘仿真時(shí)，提供了多種時(shí)鐘類型和配置選項(xiàng)，以滿足不同虛擬化場景的需求。主要提供了以下幾種時(shí)鐘類型[5]：

1）REALTIME時(shí)鐘：依賴宿主機(jī)處理器時(shí)鐘，主要用來保持時(shí)間的準(zhǔn)確性，與宿主機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行同步，以確保虛擬機(jī)中的時(shí)間與實(shí)際時(shí)間保持一致。同時(shí)還支持一些特定的功能，例如時(shí)間偏移和頻率調(diào)整，時(shí)間偏移允許設(shè)置虛擬機(jī)時(shí)間和宿主機(jī)時(shí)間之間的固定差異，而頻率調(diào)整則可以用來微調(diào)虛擬機(jī)時(shí)間的流逝速度。

這種時(shí)鐘類型通過直接獲取宿主機(jī)處理器的時(shí)鐘信息來計(jì)時(shí)，因此其精度和穩(wěn)定性受限于宿主機(jī)時(shí)鐘的性能。

2）VIRTUAL時(shí)鐘：只在虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)才會計(jì)時(shí)，當(dāng)虛擬機(jī)停止時(shí)，VIRTUAL時(shí)鐘也會停止，即VIRTUAL時(shí)鐘記錄的是虛擬機(jī)內(nèi)部的時(shí)間滴答，它反映了虛擬機(jī)操作系統(tǒng)感知到的時(shí)間流逝，與REALTIME時(shí)鐘不同，VIRTUAL時(shí)鐘并不與宿主機(jī)的時(shí)間直接同步，它的前進(jìn)速度取決于虛擬機(jī)執(zhí)行的指令數(shù)量和宿主機(jī)處理器的性能[5]，因此，在某些情況下，虛擬機(jī)內(nèi)部的時(shí)間可能與宿主機(jī)時(shí)間存在偏差。

QEMU在icount模式下時(shí)，VIRTUAL時(shí)鐘的行為會有所不同，icount模式是一種指令計(jì)數(shù)模式，它允許QEMU根據(jù)虛擬機(jī)執(zhí)行的指令數(shù)量來計(jì)算時(shí)間。在這種模式下，VIRTUAL時(shí)鐘可能會更加準(zhǔn)確地反映虛擬機(jī)內(nèi)部的時(shí)間流逝，但也可能與宿主機(jī)時(shí)間存在更大的偏差。

3）HOST時(shí)鐘：代表的是宿主機(jī)（Host OS）的時(shí)間，就像墻上的時(shí)鐘一樣，它會持續(xù)運(yùn)行，即使虛擬機(jī)被掛起，HOST時(shí)鐘也會繼續(xù)走。HOST時(shí)鐘對于需要在虛擬機(jī)中模擬準(zhǔn)確時(shí)鐘源的設(shè)備模型來說非常有用[6]，因?yàn)閷τ趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)或需要精確時(shí)間戳的應(yīng)用，需要知道宿主機(jī)時(shí)間的準(zhǔn)確變化。

QEMU允許虛擬機(jī)訪問HOST時(shí)鐘，直接獲取宿主機(jī)時(shí)間。HOST時(shí)鐘直接反映宿主機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，是虛擬機(jī)和宿主機(jī)之間的一個(gè)時(shí)間橋梁，因此其精度和穩(wěn)定性與宿主機(jī)系統(tǒng)時(shí)間的精度和穩(wěn)定性有關(guān)。

2.2" " 天脈操作系統(tǒng)對處理器時(shí)鐘的配置

天脈操作系統(tǒng)對處理器時(shí)鐘的關(guān)鍵配置包括：

1）通過配置協(xié)處理器CP0的Random寄存器，產(chǎn)生TLB（轉(zhuǎn)換后備緩沖器）陣列的入口索引。

2）通過配置協(xié)處理器CP0的Count寄存器，設(shè)置Count寄存器從0開始計(jì)數(shù)。

3）通過配置協(xié)處理器CP0的Compare寄存器，控制定時(shí)器中斷的頻率，當(dāng)Count寄存器的值和Compare寄存器的值相等時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)器中斷。

4）使能處理器時(shí)鐘中斷，在中斷處理函數(shù)中進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行tick計(jì)數(shù)。

2.3" " QEMU中處理器時(shí)鐘模型設(shè)計(jì)

在QEMU中，模擬處理器時(shí)鐘采用的是定時(shí)器鏈表原理，使用鏈表結(jié)構(gòu)來存儲和跟蹤所有的定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器在鏈表中都有一個(gè)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中包含了定時(shí)器的相關(guān)信息[7]，例如到期時(shí)間、回調(diào)函數(shù)等。

QEMU模擬處理器的指令運(yùn)行，并在模擬過程中更新定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，同時(shí)檢查當(dāng)前計(jì)數(shù)值是否已達(dá)到或超過了設(shè)定的Compare寄存器的值（也稱為比較值），如果達(dá)到了設(shè)定值，那么將觸發(fā)定時(shí)器中斷，并更新定時(shí)器到期時(shí)間，將新的定時(shí)器插入到定時(shí)器鏈表中。當(dāng)時(shí)鐘源發(fā)生變化時(shí)，QEMU會遍歷對應(yīng)的定時(shí)器鏈表，檢查是否有定時(shí)器到期，如果有定時(shí)器到期，就會調(diào)用該定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)操作[8]。為了優(yōu)化性能，QEMU的定時(shí)器鏈表是按照定時(shí)器的到期時(shí)間排序的，這樣當(dāng)QEMU需要查找到期的定時(shí)器時(shí)，只需要從鏈表的頭部開始遍歷，直到找到第一個(gè)未到期的定時(shí)器為止。這種方式減少了遍歷鏈表的時(shí)間復(fù)雜度，流程如圖2所示。

2.4" " 虛擬機(jī)系統(tǒng)中時(shí)鐘誤差分析

在虛擬環(huán)境下，虛擬機(jī)使用的時(shí)鐘來自于QEMU的時(shí)鐘模型，QEMU的時(shí)鐘模型是軟件模擬，這樣就存在一些場景無法保證能及時(shí)準(zhǔn)確地模擬實(shí)時(shí)中斷。

主要場景包括：

1）宿主機(jī)操作系統(tǒng)負(fù)載重，因而影響QEMU進(jìn)程的被調(diào)度機(jī)會，宿主機(jī)操作系統(tǒng)不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，時(shí)鐘中斷的處理也并非“搶占”式，只有虛擬機(jī)獲得運(yùn)行時(shí)刻才可執(zhí)行[9]，導(dǎo)致軟件時(shí)鐘中斷不能及時(shí)產(chǎn)生。

2）QEMU處理器時(shí)鐘模型的定時(shí)器鏈表存在排隊(duì)問題，需要等先到期的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行完畢后才會查詢下一個(gè)定時(shí)器[9]，導(dǎo)致定時(shí)精度不足。

3）天脈操作系統(tǒng)對定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)重載時(shí)，由于虛擬機(jī)運(yùn)行速度慢，概率性出現(xiàn)Compare寄存器值小于當(dāng)前的Count值，導(dǎo)致計(jì)算的定時(shí)器到期時(shí)間溢出。

4）QEMU中默認(rèn)的時(shí)鐘源為VIRTUAL時(shí)鐘，該時(shí)鐘源反映了虛擬機(jī)操作系統(tǒng)感知到的時(shí)間流逝，并不與宿主機(jī)的時(shí)間直接同步，無法保證虛擬機(jī)的時(shí)間精度。

2.5" " 處理器模型優(yōu)化

2.5.1" " 定時(shí)器替換

在Windows系統(tǒng)下多媒體定時(shí)器是一種高精度定時(shí)器，它提供比傳統(tǒng)Timer定時(shí)器更高的定時(shí)精度和更可靠的定時(shí)響應(yīng)。與傳統(tǒng)的Timer定時(shí)器依賴VM_TIMER消息不同，多媒體定時(shí)器使用函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的線程[10]，在一定的中斷次數(shù)到達(dá)后，它直接調(diào)用預(yù)先設(shè)置好的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行處理，而不必等待應(yīng)用程序的消息隊(duì)列為空，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 ms的定時(shí)精度，因此可以采用多媒體定時(shí)器替換QEMU的定時(shí)器鏈表。

timeSetEvent屬于多媒體定時(shí)器的一種，可以很精確地讀出系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間，并且能在非常精確的時(shí)間間隔內(nèi)完成一個(gè)函數(shù)或過程的調(diào)用，函數(shù)原型如下：

MMRESULT timeSetEvent（UINT uDelay， UINT uResolution， LPTIMECALLBACK lpTimeProc， DWORD dwUser， UINT fuEvent）;

參數(shù)說明：

uDelay：以毫秒為單位指定事件的周期。

uResolution：以毫秒指定延時(shí)的精度，數(shù)值越小定時(shí)器事件分辨率越高，缺省值為1 ms。

lpTimeProc：指向一個(gè)回調(diào)函數(shù)。

dwUser：存放用戶提供的回調(diào)數(shù)據(jù)。

fuEvent：指定定時(shí)器事件類型。TIME_ONESHOT表示uDelay毫秒后只產(chǎn)生一次事件，TIME_PERIODIC表示每隔uDelay毫秒周期性地產(chǎn)生事件。

因此，處理器時(shí)鐘模型采用timeSetEvent創(chuàng)建高精度定時(shí)器，相關(guān)代碼如下所示：

void cpu_mips_clock_init （MIPSCPU *cpu）

{

CPUMIPSState *env = amp;cpu-gt;env;

UINT mMMTimerThreadID = 0;

mMMTimerThreadID = timeSetEvent （1， 1， mips_

timer_cb， env， TIME_PERIODIC ）;

}

在中斷處理函數(shù)mips_timer_cb中，定時(shí)觸發(fā)時(shí)鐘中斷，代碼如下所示：

static void CALLBACK mips_timer_cb （UINT uID， UINT uMsg， DWORD_PTR dwUser， DWORD_

PTR dw1， DWORD_PTR dw2）

{

CPUMIPSState *env;

env = （CPUMIPSState *）dwUser;

if （env-gt;insn_flags amp; ISA_MIPS32R2）{

env-gt;CP0_Cause |= 1 lt;lt; CP0Ca_TI;

}

qemu_mutex_lock_iothread（）;

qemu_irq_raise（env-gt;irq[（env-gt;

CP0_IntCtl gt;gt; CP0IntCtl_IPTI） amp;

0x7]）;

qemu_mutex_unlock_iothread（）;

}

2.5.2" " 設(shè)置QEMU進(jìn)程優(yōu)先級

使用start命令，在啟動(dòng)QEMU進(jìn)程時(shí)，設(shè)定新啟動(dòng)進(jìn)程的優(yōu)先級。以高優(yōu)先級啟動(dòng)QEMU進(jìn)程，命令如下：

Start /HIGH qemu -system -mips64el.exe -M ls2k -bios ./bootrom.bin -kernel ./ls2k_os_bind.elf -serial＼

COM4 -m 1024 -usb -smp 2 -nographic

2.5.3" " 更換時(shí)鐘源為REALTIME時(shí)鐘

修改處理器時(shí)鐘模型的時(shí)鐘源，使用REALTIME時(shí)鐘，REALTIME時(shí)鐘在Windows環(huán)境下通過QueryPerformanceFrequency獲取處理器頻率并使用QueryPerformanceCounter獲取當(dāng)前時(shí)鐘，該函數(shù)可以提供微秒級的時(shí)間間隔[10]，精度更高。

3" " 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1" " 啟動(dòng)QEMU

啟動(dòng)QEMU并加載天脈操作系統(tǒng)，啟動(dòng)命令如下：

start /HIGH qemu-system-mips64el.exe -M ls2k，loadCfgFile=loadfiles_hi600_dpm1.cfg -bios bootrom_

new.bin -kernel MSL_IPC.elf -m 4G -smp 2

其中，-M參數(shù)用于指定模擬的虛擬機(jī)（當(dāng)前為龍芯2K1000），loadCfgFile用于指定加載的配置文件（包含天脈操作系統(tǒng)及應(yīng)用文件的路徑和加載地址）；-bios參數(shù)用于指定虛擬機(jī)啟動(dòng)的boot文件；-kernel參數(shù)用于指定虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)加載的內(nèi)核鏡像文件；-m參數(shù)用于指定分配給虛擬機(jī)的內(nèi)存大??；-smp參數(shù)用于指定虛擬機(jī)中使用的邏輯CPU數(shù)量。

3.2" " 處理器時(shí)鐘模型優(yōu)化測試

時(shí)鐘模型測試采用天脈操作系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模塊的tick計(jì)數(shù)函數(shù)，首先設(shè)置每個(gè)tick為1 000 μs。代碼如下：

/* 設(shè)置每個(gè)tick的微秒值 */

microseconds_per_tick = 1000;

/* 設(shè)置時(shí)鐘頻率 */

sysClkRateSet（1000000/microseconds_per_tick）;

在處理器時(shí)鐘中斷的回調(diào)函數(shù)中通過模型接口調(diào)用Windows系統(tǒng)的QueryPerformanceCounter函數(shù)記錄每次tick計(jì)數(shù)時(shí)的時(shí)間間隔，時(shí)鐘模型優(yōu)化前的測試結(jié)果如圖3所示。

從測試結(jié)果可以看出，每次計(jì)算tick計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔基本在100 000 000 ns左右，即100 ms，與設(shè)定的每個(gè)tick為1 000 μs即1 ms，誤差超過50倍。

優(yōu)化處理器時(shí)鐘模型后對時(shí)鐘進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示。

從測試結(jié)果可以看出，每次計(jì)算tick計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔在999 000～2 000 000 ns之間，即0.9～2 ms，與設(shè)定的每個(gè)tick為1 000 μs即1 ms誤差小于2倍。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的處理器時(shí)鐘模型有效提升了模擬器時(shí)鐘精度，可以更好地支撐嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)在虛擬機(jī)上運(yùn)行。

4" " 結(jié)束語

本文通過對QEMU的MIPS架構(gòu)處理器時(shí)鐘仿真模型進(jìn)行研究，分析出了時(shí)鐘模型精度誤差大的原因，采用替換多媒體定時(shí)器、設(shè)置QEMU進(jìn)程的優(yōu)先級以及修改時(shí)鐘源的方法，有效提升了QEMU的MIPS架構(gòu)處理器時(shí)鐘模型的精度，為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在虛擬機(jī)上運(yùn)行提供了有力保障。

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收稿日期：2025-02-12

作者簡介：郭攀（1985—），男，陜西人，工程師，研究方向：機(jī)載計(jì)算機(jī)軟件。