Linux的时间与时钟中断处理

本文主要介绍在Linux下的时间实现以及系统如何进行时钟中断处理。

一．       Linux的硬件时间

PC机中的时间有三种硬件时钟实现，这三种都是基于晶振产生的方波信号输入。这三种时钟为：（1）实时时钟RTC ( Real Time Clock) （2）可编程间隔器PIT(Programmable Interval Timer )（3）时间戳计数器TSC(Time Stamp Clock)

1.     实时时钟 RTC
  用于长时间存放系统时间的设备，即时关机后也可依靠主板CMOS电池继续保持系统的计时，原理图如下：

Note: Linux与RTC的关系是,当Linux启动时从RTC读取时间和日期的基准值，然后在Kernel运行期间便抛开RTC，以软件的形式维护系统的时间日期，并在适当时机由Kernel将时间写回RTC Register.

1.1 RTC Register
   (1). 时钟与日历Register
        共10个，地址：0x00-0x09,分别用于保存时间日历的具体信息，详情如下：
        00          Current Second for RTC
        01          Alarm Second

        02          Current Minute

        03          Alarm Minute

        04          Current Hour

        05          Alarm Hour

        06          Current Day of Week(1=Sunday)

        07          Current Date of Month

        08          Current Month

        09          Current Year

 (2).状态和控制Register

    共四个，地址：0x0a-0x0d,控制RTC芯片的工作方式，并表示当前状态。

l         状态RegisterA , 0x0A 格式如下：

         bit［7］——UIP标志（Update in Progress），为1表示RTC正在更新日历寄存器组中的值，此时日历寄存器组是不可访问的（此时访问它们将得到一个无意义的渐变值）。

bit［6：4］——这三位是用来定义RTC的操作频率。各种可能的值如下： 

DV2 DV1 DV0        
0    0   0        4.194304 MHZ
0    0   1        1.048576 MHZ
0    1   0        32.769   KHZ
1    1   0/1      任何 
PC机通常设置成“010”。

bit［3：0］——速率选择位（Rate Selection bits），用于周期性或方波信号输出。
RS3 RS2 RS1 RS0  周期性中断   方波   周期性中断   方波 
0   0   0   0    None       None       None      None
0   0   0   1   30.517μs  32.768 KHZ 3.90625ms 256 HZ
0   0   1   0   61.035μs  16.384 KHZ
0   0   1   1   122.070μs  8.192KHZ
0   1   0   0    244.141μs 4.096KHZ
0   1  0   1    488.281μs 2.048KHZ
0   1   1   0    976.562μs 1.024KHZ
0   1   1   1    1.953125ms    512HZ
1   0   0   0    3.90625ms     256HZ
1   0   0   1    7.8125ms      128HZ
1   0   1   0    15.625ms      64HZ
1   0  1   1    31.25ms       32HZ
1   1   0   0    62.5ms        16HZ
1   1   0   1    125ms          8HZ
1  1   1   0    250ms          4HZ
1   1   1   1    500ms          2HZ
PC机BIOS对其默认的设置值是“0110”

l         状态Register B , 0x0B 格式如下：

bit［7］——SET标志。为1表示RTC的所有更新过程都将终止，用户程序随后马上对日历寄存器组中的值进行初始化设置。为0表示将允许更新过程继续。

bit［6］——PIE标志，周期性中断enable标志。

bit［5］——AIE标志，告警中断enable标志。

bit［4］——UIE标志，更新结束中断enable标志。

bit［3］——SQWE标志，方波信号enable标志。

bit［2］——DM标志，用来控制日历寄存器组的数据模式，0＝BCD，1＝BINARY。BIOS总是将它设置为0。

bit［1］——24／12标志，用来控制hour寄存器，0表示12小时制，1表示24小时制。PC机BIOS总是将它设置为1。

bit［0］——DSE标志。BIOS总是将它设置为0。

l         状态Register C，0x0C 格式如下： 
bit［7］——IRQF标志，中断请求标志，当该位为1时，说明寄存器B中断请求 发生。
bit［6］——PF标志，周期性中断标志，为1表示发生周期性中断请求。 
bit［5］——AF标志，告警中断标志，为1表示发生告警中断请求。 
bit［4］——UF标志，更新结束中断标志，为1表示发生更新结束中断请求。

l         状态Register D，0x0D 格式如下： 
 bit［7］——VRT标志（Valid RAM and Time），为1表示OK，为0表示RTC 已经掉电。 
 bit［6：0］——总是为0，未定义。

2.可编程间隔定时器 PIT

        每个PC机中都有一个PIT，以通过IRQ0产生周期性的时钟中断信号,作为系统定时器 system timer。当前使用最普遍的是Intel 8254 PIT芯片，它的I/O端口地址是0x40~0x43。 
Intel 8254 PIT有3个计时通道，每个通道都有其不同的用途： 
（1） 通道0用来负责更新系统时钟。每当一个时钟滴答过去时，它就会通过IRQ0向       系统 产生一次时钟中断。 
（2） 通道1通常用于控制DMAC对RAM的刷新。 
（3） 通道2被连接到PC机的扬声器，以产生方波信号。 
    每 个通道都有一个向下减小的计数器，8254 PIT的输入时钟信号的频率是1.193181MHZ，也即一秒钟输入1193181个clock-cycle。每输入一个clock-cycle其时间 通道的计数器就向下减1，一直减到0值。因此对于通道0而言，当他的计数器减到0时，PIT就向系统产生一次时钟中断，表示一个时钟滴答已经过去了。计数 器为16bit,因此所能表示的最大值是65536，一秒内发生的滴答数是：1193181/65536=18.206482.

        PIT的I/O端口：
     0x40   通道0 计数器 Read/Write
     0X41   通道1计数器 Read/Write
     0X42  通道2计数器  Read/Write
     0X43   控制字        Write Only

 Note: 因PIT I/O端口是8位，而PIT相应计数器是16位，因此必须对PIT计数器进行两次读写。

   8254 PIT的控制寄存器（0X43）的格式如下：

            bit[7:6] — 通道选择位：00 ，通道0；01，通道1；10，通道2；11，read-back command,仅8254。

            bit[5:4] – Read/Write/Latch锁定位，00,锁定当前计数器以便读取计数值；01，只读高字节；10，只读低字节；11，先高后低。

            bit[3:1] – 设定各通道的工作模式。

          000   mode0       当通道处于count out 时产生中断信号,可用于系统定时

          001   mode1       Hardware retriggerable one-shot

          010   mode2       Rate Generator。产生实时时钟中断,通道0通常工作在这个模式下

          011 mode3        方波信号发生器

          100 mode4        Software triggered strobe

          101 mode5        Hardware triggered strobe

3. 时间戳计数器 TSC

        从Pentium开始，所有的Intel 80x86 CPU就都包含一个64位的时间戳记数器（TSC）的寄存器。该寄存器实际上是一个不断增加的计数器，它在CPU的每个时钟信号到来时加1（也即每一个clock-cycle输入CPU时，该计数器的值就加1）。 
    汇编指令rdtsc可以用于读取TSC的值。利用CPU的TSC，操作系统通常可以得到更为精准的时间度量。假如clock-cycle的频率是400MHZ，那么TSC就将每2.5纳秒增加一次。

二．       Linux时钟中断处理程序

1．      几个概念

（1）时钟周期（clock cycle）的频率：8253／8254 PIT的本质就是对由晶体振荡器产生的时钟周期进行计数，晶体振荡器在1秒时间内产生的时钟脉冲个数就是时钟周期的频率。Linux用宏 CLOCK_TICK_RATE来表示8254 PIT的输入时钟脉冲的频率（在PC机中这个值通常是1193180HZ），该宏定义在include/asm-i386/timex.h头文件中
#define CLOCK_TICK_RATE 1193180        kernel=2.4 &2.6

（2）时钟滴答（clock tick）：当PIT通道0的计数器减到0值时，它就在IRQ0上产生一次时钟中断，也即一次时钟滴答。PIT通道0的计数器的初始值决定了要过多少时钟周期才产生一次时钟中断，因此也就决定了一次时钟滴答的时间间隔长度。

（3）时钟滴答的频率（HZ）：1秒时间内PIT所产生的时钟滴答次数。 这个值也由PIT通道0的计数器初值决定的.Linux内核用宏HZ来表示时钟滴答的频率，而且在不同的平台上HZ有不同的定义值。对于ALPHA和 IA62平台HZ的值是1024，对于SPARC、MIPS、ARM和i386等平台HZ的值都是100。该宏在i386平台上的定义如下 （include/asm-i386/param.h）：
#define HZ 100    kernel=2.4
#define HZ   CONFIG_HZ       kernel=2.6

（4）宏LATCH：定义要写到PIT通道0的计数器中的值，它表示PIT将隔多少个时钟周期产生一次时钟中断。公式计算： 
LATCH＝（1秒之内的时钟周期个数）÷（1秒之内的时钟中断次数）＝（CLOCK_TICK_RATE）÷（HZ）
定义在
#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ)

(5)全局变量jiffies:用于记录系统自启动以来产生的滴答总数。启动时，kernel将该变量初始为0，每次时钟中断处理程序timer_interrupt()将该变量加1。因为一秒钟内增加的时钟中断次数等于Hz，所以jiffies一秒内增加的值也是Hz。由此可得系统运行时间是jiffies/Hz 秒。
jiffies定义于中：
extern unsigned long volatile jiffies;
Note:在kernel 2.4，jiffies是32位无符号数；kernel 2.6，jiffies是64位无符号数。

（6）全局变量xtime: 结构类型变量，用于表示当前时间距UNIX基准时间1970-01-01 00：00：00的相对秒数值。当系统启动时，Kernel通过读取RTC Register中的数据来初始化系统时间（wall_time）,该时间存放在xtime中。
void __init time_init (void) {

              ... ...

              xtime.tv_sec = get_cmos_time ();

              xtime.tv_usec = 0;

... ... }
Note：实时时钟RTC的最主要作用便是在系统启动时用来初始化xtime变量。

2.Linux的时钟中断处理程序

       Linux下时钟中断处理由time_interrupt() 函数实现，主要完成以下任务：

l         获得xtime_lock锁，以便对访问的jiffies_64 (kernel2.6)和 xtime进行保护

l         需要时应答或重新设置系统时钟。

l         周期性的使用系统时间（wall_time）更新实时时钟RTC

l         调用体系结构无关的时钟例程：do_timer()。

do_timer()主要完成以下任务：

l         更新jiffies；

l         更新系统时间（wall_time）,该时间存放在xtime变量中

l         执行已经到期的动态定时器

l         计算平均负载值
void do_timer(unsigned long ticks)

{

 jiffies_64 += ticks;
 update_process_times(user_mode(regs));

 update_times (ticks);

}
static inline void update_times(unsigned long ticks)

{

 update_wall_time ();

 calc_load (ticks);

}

                time_interrupt ()：
            

                 static void timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { 

                   int count;

                   write_lock (&xtime_lock); //获得xtime_lock锁

 

                     if(use_cyclone)

                         mark_timeoffset_cyclone();

                     else if (use_tsc) {

                         rdtscl(last_tsc_low); //读TSC register到last_tsc_low

                     spin_lock (&i8253_lock); //对自旋锁i8253_lock加锁，对8254PIT访问

                     outb_p (0x00, 0x43);    

 

                     count = inb_p(0x40);   

                     count |= inb(0x40) << 8;

                     if (count > LATCH) {

                         printk (KERN_WARNING "i8253 count too high! resetting../n");

                         outb_p (0x34, 0x43);

                         outb_p (LATCH & 0xff, 0x40);

                         outb(LATCH >> 8, 0x40);

                         count = LATCH - 1;

                     }

                   spin_unlock (&i8253_lock);

 

                     if (count = = LATCH) {

                             count- -;

                     }

 

                     count = ((LATCH-1) - count) * TICK_SIZE;

                     delay_at_last_interrupt = (count + LATCH/2) / LATCH;

                     } //end use_tsc

                     do_timer_interrupt (irq, NULL, regs);

                     write_unlock(&xtime_lock);

}//end time_interrupt

 

do_timer_interrupt():
    static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

{

……
do_timer(regs);
if((time_status & STA_UNSYNC)= =0&&xtime.tv_sec> last_rtc_update + 660 && xtime.tv_usec >= 500000 - ((unsigned) tick) / 2 && xtime.tv_usec <= 500000 + ((unsigned) tick) / 2) {

      if (set_rtc_mmss(xtime.tv_sec) == 0)

          last_rtc_update = xtime.tv_sec;

      else

          last_rtc_update = xtime.tv_sec - 600;
……

 }

do_timer_interrupt()主要完成：调用do_timer()和判断是否需要更新CMOS时钟。更新CMOS时钟的条件如下：三个须同时成立
    1.系统全局时间状态变量time_status中没有设置STA_UNSYNC标志，即Linux没有设置外部同步时钟（如NTP）

    2.自从上次CMOS时钟更新已经过去11分钟。全局变量last_rtc_update保存上次更新CMOS时钟的时间.

    3.由于RTC存在Update Cycle，因此应在一秒钟间隔的中间500ms左右调用set_rtc_mmss()函数，将当前时间xtime.tv_sec写回RTC中。

Note. Linux kernel 中定义了一个类似jiffies的变量wall_jiffies，用于记录kernel上一次更新xtime时，jiffies的值。

 

Summary： Linux kernel在启动时，通过读取RTC里的时间日期初始化xtime，此后由kernel通过初始PIT来提供软时钟。

                       时钟中断处理过程可归纳为：系统时钟system timer在IRQ0上产生中断；kernel调用time_interrupt()；time_interrupt()判断系统是否使用TSC，若使用 则读取TSC register;然后读取PIT 通道0的计数值；调用do_time_interrupt(),实现系统时间更新.