Linux中的时钟概念Linux中的时钟概念

LINUX的时钟中断中涉及至二个全局变量一个是xtime，另一个则是jiffies。

有一个与时间有关的时钟：实时时钟（RTC），这是一个硬件时钟，用来持久存放系统时间，系统关闭后靠主板上的微型电池保持计时。系统启动时，内核 通过读取RTC来初始化Wall Time,并存放在xtime变量中，即xtime是从cmos电路中取得的时间，一般是从某一历史时刻开始到现在的时间，也就是为了取得我们操作系统上 显示的日期，它的精度是微秒。这是RTC最主要的作用。

jiffies是记录着从电脑开机到现在总共的时钟中断次数。在linux内核中jiffies远比xtime重要，jiffies取决于系统的频 率，单位是 Hz，是周期的倒数，一般是一秒钟中断产生的次数，所以，假如我们需要知道系统的精确的时间单位时，需要换算了，假如我们系统的频率是200Mhz,那么 一次中断的间隔是1秒/200,000，000Hz=0.000 000 005秒，所以理论上我们系统的精确度是5ns。LINUX系统时钟频率是一个常数HZ来决定的， 通常HZ＝100（Linux内核从2.5版内核开始把频率从100调高到1000），那么他的精度度就是10ms（毫秒）。也就是说每10ms一次中 断。所以一般来说Linux的精确度是10毫秒。

内核一般通过jiffies值来获取当前时间。尽管该数值表示的是自上次系统启动到当前的时间间隔，但因为驱动程序的生命期只限于系统的运行期 (uptime)，所以也是可行的。驱动程序利用jiffies的当前值来计算不同事件间的时间间隔。硬件给内核提供一个系统定时器用以计算和管理时间， 内核通过编程预设系统定时器的频率(即上面所说的HZ=100）。节拍率（tick rate)，每一个周期称作一个tick(节拍）。jiffies是内核中的一个全巨变量。系统启动一来产生的节拍数。譬如，如果计算系统运行了多长时 间，可以用 jiffies/tick rate 来计算。

jiffies定义在文件

如果您需要更精确的时间来测量或者记录某些事情的话，内核中有个xtime全局变量，类型是struct timespec {time_t tv_sec; long tv_nsec;}按照这个数据结构，它是ns级的。

有一个current_kernel_time函数，通过它就可以获取xtime的值。但是xtime是在时钟中断里更新的，而一个tick往往是 10ms或者100ms，它只能保证在时钟中断ISR调用时刻，它返回的值是精确到ns级，并不能保证任何一个调用这个函数的时刻都能这样，原因是 xtime的更新速度比它差几个数量级.

kernel的time基本类型:
1) system time
A monotonically increasing value that represents the amount of time the system has been running. 单调增长的系统运行时间, 可以通过time source, xtime及wall_to_monotonic计算出来.
2) wall time
A value representing the the human time of day, as seen on a wrist-watch. Realtime时间: xtime.
3) time source
A representation of a free running counter running at a known frequency, usually in hardware, e.g GPT. 可以通过clocksource->read()得到counter值
4) tick
A periodic interrupt generated by a hardware-timer, typically with a fixed interval defined by HZ: jiffies

这些time之间互相关联, 互相可以转换.
system_time = xtime + cyc2ns(clock->read() - clock->cycle_last) + wall_to_monotonic;
real_time = xtime + cyc2ns(clock->read() - clock->cycle_last)
也就是说real time是从1970年开始到现在的nanosecond, 而system time是系统启动到现在的nanosecond.
这两个是最重要的时间, 由此hrtimer可以基于这两个time来设置过期时间. 所以引入两个clock base：

CLOCK_REALTIME: base在实际的wall time
CLOCK_MONOTONIC: base在系统运行system time

CLOCK_REALTIME 调用ktime_get_real()来获得真实时间, 该函数用上面提到的等式计算出realtime.
CLOCK_MONOTONIC 调用ktime_get(), 用system_time的等式获得monotonic time.

Clock API

clock_gettime(clockid_t, struct timespec *)
获取对应clock的时间
clock_settime(clockid_t, const struct timespec *)
设置对应clock时间
clock_nanosleep(clockid_t, int, const struct timespec *, struct timespec *)
进程nano sleep
clock_getres(clockid_t, struct timespec *)
获取时间精度, 一般是nanosec

clockid_t 定义了四种clock:

CLOCK_REALTIME
System-wide realtime clock. Setting this clock requires appropriate privileges.
CLOCK_MONOTONIC
Clock that cannot be set and represents monotonic time since some unspecified starting point.
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID
High-resolution per-process timer from the CPU.
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID
Thread-specific CPU-time clock.

前两者前面提到了, 后两个是和进程/线程统计时间有关系, 应用层可以利用这四种clock, 提高灵活性及精度.

Timer API

Timer 可以建立进程定时器，单次或者周期性定时。

int timer_create(clockid_t clockid, struct sigevent *restrict evp, timer_t *restrict timerid);
创建定时器。
clockid 指定在哪个clock base下创建定时器。
evp (sigevent) 可以指定定时器到期后内核发送哪个信号给进程，以及信号所带参数；默认为SIGALRM。
timerid 返回所建timer的id号。
在signal 处理函数里，可以通过siginfo_t.si_timerid 获得当前的信号是由哪个timer过期触发的。试验了一下，最多可创建的timer数目和ulimit里的pending signals的有关系，不能超过pending signals的数量。

int timer_gettime(timer_t timerid, struct itimerspec *value);
获得timer的下次过期的时间。

int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec *restrict value, struct itimerspec *restrict ovalue);
设置定时器的过期时间及间隔周期。

int timer_delete(timer_t timerid);
删除定时器。

这些系统调用都会建立一个posix_timer的hrtimer，在过期的时候发送信号给进程。