Linux时间子系统一——时间子系统综述

硬件timer

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Timer在硬件上是一个非常简单的东西（这里不考虑虚拟化，安全相关的问题），一般来说timer都会支持两种模式，一是periodic模式和free running模式，前者周期性的产生中断，后者一直往前累加到配置的最大值，报一次中断，称为one shot。

软件抽象

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软件上将timer抽象成clocksource和clockevent，从名字大概就猜得出来，clocksource是提供时间信息的，如当前的系统时间；而clockevent是提供事件信息的，就是在未来某个时间点提醒CPU某个事件需要处理了，比如定时器超时了，或者一个新的tick的到来。

TICK

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现代操作系统基本都是分时操作系统，也就是说多任务分时共享CPU，而分时的基础就是timer，所以timer驱动是操作系统基础架构性质的驱动，从timer的角度去理解操作系统，会对操作系统有一个更加宏观和具体化的认识。
Timer之所以可以让多进城轮动起来，是因为它会周期性的产生中断，如CONFIG_HZ配置为250，意味着每4毫秒产生一次中断，而每次中断来的时候jiffs会增加一，所以jiffs是一个内核里面很重要的计时单位。在中断处理函数里面判断当前进程的时间片是否用完，如果用完的话就选择另外一个进程，这是分时复用最核心的逻辑。
CONFIG_HZ并不是越大越好，也不是越小越好，如果CONFIG_HZ太大，会导致频繁的产生中断，中断的软件栈会消耗过多的CPU资源，如果CONFIG_HZ过小，进程之间的切换频率较低，可能会导致某些高优先级进程响应速度慢。

Timer

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timer分高精度timer和低精度timer，前者是基于硬件timer频率的，所以精度很高，而后者是基于jiffs的，所以精度比较低。这里简单介绍下原理：
前面说过，硬件timer支持periodic模式和free running模式，当工作在periodic模式时，timer只能按固定周期才生中断事件，这其实是有很大限制的，如CONFIG_HZ设置为250，那么timer只能每4ms才生一次中断，那么定时器定时时间只能是timer的整数倍，所以精度非常低，称为低优先级定时器，除此以外，低优先级定时器运行在软中断上下文，所以是可以被中断抢占的，此外如果软中断线程话，其精度将更低。
如果要使用高精度定时器，就必须使用free running模式，free running模式又可以成为one shot模式，也就是说每次定时只会才生一次中断，要想产生下一次中断，则需要重新配置定时器。这样开起来虽然麻烦了一点，但是却更加灵活，它想什么时候才生中断就什么时候产生中断，再也不会受限于CONFIG_HZ的配置，当然one shot模式需要统一定时器和tick事件，本质上他们都要求以固定的周期发生中断事件，只不过它们所要求的周期不一样，所以需要在每次中断发生后，要将最近的一次超时时间配置到timer中去。

Time

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时间怎么办？一个timer是怎么既做clocksource又做clockevent的呢？话句话说，系统是如何基于一个随时可能被重新赋值的timer来维护持续向前的系统时间的呢？答案其实很简单，OFFSET。硬件timer并非一直往前计数，但是我们可以分步累加offset，来维护持续向前的系统时间。
简单来说，就是每次timer中断事件中，会将上次更新系统时间到现在经历的时间加到系统时间上去，而每次获取时间的时候，也会同样将上次更新系统时间到现在经历的时间加到系统时间上去，作为现在的系统时间。