Linux中的时钟xlanchen@2006.6.15

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定时测量 Linux内核提供两种主要的定时测量

获得当前的时间和日期 系统调用： time(), ftime()以及 gettimeofday()

维持定时器 settimer(), alarm()

定时测量是由基于固定频率振荡器和计数器的几个硬件电路完成的

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主要内容定时的硬件设备 Linux内核中与时间有关的程序系统调用及相关服务例程

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硬时钟 80x86体系结构上，内核必须显式的与四种时钟打交道 实时时钟 Real time clock， RTC 时间戳计数器 Time stamp counter， TSC 可编程间隔定时器 Programmable interval timer, P

IT SMP系统上的本地 APIC定时器

用于跟踪当前时间

用于计时、时钟中断

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实时时钟 RTC

基本上所有的 PC都包含实时时钟独立于 CPU与所有其他芯片依靠一个独立的小电池供电

即使关闭 PC电源，还会继续运转与 CMOS RAM往往集成在一个芯片内

例如：Motorala 146818能在 IRQ8上发出周期性的中断，频率在 2HZ

~8192之间 可以对其编程实现一个闹钟

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Linux只使用 RTC获得时间和日期对应的设备文件为 /dev/rtc

可以通过设备文件对其编程内核通过 0x70和 0x71两个端口访问 RTC系统管理员可以通过执行时钟程序设置时钟

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时间戳计数器 TSC

这是 80x86微处理器中的 从 pentium开始有 64位的寄存器 rdtsc指令用于读该寄存器 作为一个计数器，它在每个时钟信号到来时 +1

例如，时钟频率 400MHz的微处理器， TSC每 2.5ns+1

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与后面介绍的可编程间隔定时器相比， TSC可以获得更精确的时钟 为此， Linux在系统初始化的时候必须确定时钟的频率

calibrate_tsc 根据在一个相对较长的时间间隔内（约 50ms）所发生的 TSC计数的个数进行计算

那个间隔由可编程间隔定时器给出 由于只在系统初始化的时候运行一次，因此本程序可以执行较长时间，而不会引起问题

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可编程间隔定时器 PIT

经过适当编程后，周期性的给出时钟中断通常是 8254 CMOS芯片

使用 I/O端口 0x40~0x43 Linux将 PIT编程为：

100Hz 通过 IRQ0发出时钟中断

每 10ms产生一次时钟中断，即一个 tick

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Linux在初始化的时候，利用可编程间隔定时器获得 CPU的频率

观察 calibrate_tsc()

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Tick的长短短

优点：分辨率高 缺点：需要较多的 CPU时间处理，会导致用户程序运行变慢

适用于非常强大的机器，这种机器能够承担较大的系统开销

Tick的设置是一个折中，例如 在大多数惠普的 Alpha和 Intel的 IA-64上约 1ms产生一个 tick（每秒 1024个时钟中断）

Rawhide Alpha工作站采用更高（ 1200tick/秒）

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在 Linux中，下列宏决定时钟中断频率

每秒钟时钟中断的个数，即每秒 tick的个数

8254芯片的内部振荡器频率

对 8254分频，获得 HZ所需的时钟

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在 init_IRQ()中初始化时钟中断频率

此后，约每 10ms就会产生一个 tick

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Linux的计时体系结构在单处理器系统中，所有定时活动都由 IRQ0上的时钟中断触发，包括 在中断中立即执行的部分，和 作为下半部分延迟执行的部分

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时钟中断处理例程 Linux初始化时由 time_init()建立 IRQ0对应的中断处理函数

将 irq0作为 irq_desc的第一项的中断处理函数

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如果有 TSC，那么就得到时钟中断处理延迟，以给用户提供更精确的时钟

该函数会调用 do_timer进一步处理

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do_timer

全局变量，存放自系统启动以来的时钟节拍数32位约 497天会溢出（回归为 0）

检查当前进程对时间片的使用情况

激活下半部分

如果 tq_timer非空，还要激活相关的下半部分处理

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update_process_times

更新时间片视需要进行调度

统计当前进程对CPU时间的使用情况

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TIMER_BH下半部分当时钟中断处理例程运行结束并返回时，会立即处理下半部分

更新系统日期和时间，计算当前的系统负载

维护软定时器处理

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更新时间和日期用户程序从下面这个变量中获得当前时间和日期

存放从 1970年 1月 1日凌晨 0点以来经过的所有秒数

最后一秒已经过去的微秒数取值范围： 0~999999

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系统初始化时， time_init()初始化时间和日期

观察 get_cmos_time()

获得 coms时间一旦完成， Linux不再需要 RTC，依靠下半部分维护 xtime

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更新 xtime

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软定时器定时器是一种软件功能，它允许在将来的某个时刻调用某个函数

大多数设备驱动程序利用定时器完成一些特殊工作 软盘驱动程序在软盘暂时不被访问时就关闭设备的发动机

并行打印机利用定时器检测错误的打印机情况

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Linux中存在两类定时器： 动态定时器

内核使用 间隔定时器

由进程在用户态创建

注意：由于软定时器在下半部分处理，内核不能保证定时器正好在时钟到期的时候被执行，会存在延迟，不适用于实时应用

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动态定时器动态定时器被动态的创建和撤销，当前活动的动态定时器个数没有限制

数据结构：

系统使用 512个双向链表维护动态定时器

定时器到期时要执行的函数

函数使用的参数

到期时间

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创建并激活一个动态定时器创建一个新的 timer_list对象调用 init_timer初始化，并设置定时器要处理的函数和参数

设置定时时间使用 add_timer加入到合适的链表中

通常定时器只能执行一次，如果要周期性的执行，必须再次将其加入链表

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动态定时器的处理为提高处理动态定时器的效率，必须给定时器排序，并使用合适的数据结构

Linux根据 expires的值，维护这样的数据结构

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=64, 64个双向链表，包含了未来某个时间段内的动态定时器index指向当前应当用来更新上一级定时器的链表

（ =256）， 256个双向链表，每个表示对应时钟到期时的动态定时器链表Index表示当前节拍对应的那个链表

未来 214-1个节拍内的定时器每 256个节拍内的定时器为 1个链表共 64个

未来 220-1个节拍内的定时器每 214个节拍内的定时器为 1个链表共 64个

未来 226-1个节拍内的定时器每 220个节拍内的定时器为 1个链表共 64个

未来 232-1个节拍内的定时器每 226个节拍内的定时器为 1个链表共 64个

一点点不同：最后一个链表中的定时器的时间可以任意大

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run_timer_list

下半部分 timer_bh()调用 run_timer_list()检查到期的动态定时器，包括： 执行动态定时器 更新链表

观察 run_timer_list()

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动态定时器的应用使用 schedule_timeout()可以使进程被延迟（睡眠一段时间）

观察 schedule_timeout()并看一个内核应用实例

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与定时测量相关的系统调用 time()

返回从 1970年 1月 1日凌晨 0点开始的秒数 ftime()

返回从 1970年 1月 1日凌晨 0点开始的秒数以及最后一秒的毫秒数

数据结构为 timeb gettimeofday()

返回从 1970年 1月 1日凌晨 0点开始的秒数 对应于 sys_gettimeofday()

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settimer() 间隔定时器

频率：周期性的触发定时器（若为 0，只触发一次） alarm()

引起 SIGALARM信号

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与时钟相关的命令（演示） date：显示或者更改系统时钟

使用 time获得时钟

使用 ctime改变时钟格式