深入分析Linux内核源码－系统时钟

1 Linux时间系统

计算机最基本的时间单元是时钟周期，例如取指令、执行指令、存取内存等。时间系统是计算机系统非常重要的组成部分，特别是对于Unix类分时系统尤为重要。时间系统主要任务是维持系统时间并且防止某个进程独占CPU及其他资源，也就是驱动进程的调度。

1.1 时钟硬件

大部分PC机中有两个时钟源，他们分别叫做RTC和OS（操作系统）时钟。RTC（Real Time Clock，实时时钟）也叫做CMOS时钟，它是PC主机板上的一块芯片，它靠电池供电，即使系统断电，也可以维持日期和时间。由于它独立于操作系统，所以也被称为硬件时钟，它为整个计算机提供一个计时标准，是最原始最底层的时钟数据。

Linux只用RTC来获得时间和日期；然而，通过作用于/dev/rtc设备文件，也允许进程对RTC编程。通过执行/sbin/clock系统程序，系统管理员可以配置时钟。

OS时钟产生于PC主板上的定时/计数芯片，由操作系统控制这个芯片的工作，OS时钟的基本单位就是该芯片的计数周期。在开机时操作系统取得RTC中的时间数据来初始化OS时钟，然后通过计数芯片的向下计数形成了OS时钟，它更应该被称为一个计数器。OS时钟只在开机时才有效，而且完全由操作系统控制，所以也被称为软时钟或系统时钟。下面我们重点描述OS时钟的产生。

OS时钟输出脉冲信号，接到中断控制器上，产生中断信号，触发后面要讲的时钟中断，由时钟中断服务程序维持OS时钟的正常工作。

1.2 时钟运作机制

RTC和OS时钟之间的关系通常也被称作操作系统的时钟运作机制。一般来说，RTC是OS时钟的时间基准，操作系统通过读取RTC来初始化OS时钟，此后二者保持同步运行，共同维持着系统时间。保持同步运行是什么意思呢？就是指操作系统运行过程中，每隔一个固定时间会刷新或校正RTC中的信息。

图2 时钟运作机制

我们可以看到，RTC处于最底层，提供最原始的时钟数据。OS时钟建立在RTC之上，初始化完成后将完全由操作系统控制，和RTC脱离关系。操作系统通过OS时钟提供给应用程序所有和时间有关的服务。

1.3 Linux时间基准

以上我们了解了RTC（实时时钟、硬件时钟）和OS时钟（系统时钟、软时钟）。下面我们具体描述OS时钟。OS时钟是由可编程定时/计数器产生的输出脉冲触发中断而产生的。输出脉冲的周期叫做一个“时钟滴答”。计算机中的时间是以时钟滴答为单位的，每一次时钟滴答，系统时间就会加1。操作系统根据当前时钟滴答的数目就可以得到以秒或毫秒等为单位的其他时间格式。

定义“时间基准”的目的是为了简化计算，这样计算机中的时间只要表示为从这个时间基准开始的时钟滴答数就可以了。“时间基准是由操作系统的设计者规定的。例如DOS的时间基准是1980年1月1日，Unix的时间基准是1970年1月1日上午12点，Linux的时间基准是1970年1月1日凌晨0点。

1.4 Linux的时间系统

OS时钟记录的时间也就是通常所说的系统时间。系统时间是以“时钟滴答”为单位的，而时钟中断的频率决定了一个时钟滴答的长短，例如每秒有100次时钟中断，那么一个时钟滴答的就是10毫秒（记为10ms），相应地，系统时间就会每10ms增1。

Linux中用全局变量jiffies表示系统自启动以来的时钟滴答数目。在/kernel/time.c中定义如下：

unsigned long volatile jiffies

在jiffies基础上，Linux提供了如下适合人们习惯的时间格式，在/include/linux/time.h中定义如下：

struct timespec {／* 这是精度很高的表示*／

long tv_sec; ／* 秒 （second） *／

long tv_nsec;  /* 纳秒：十亿分之一秒（ nanosecond）*／

}；

struct timeval {／* 普通精度*／

int tv_sec; /* 秒*／

int tv_usec;  /* 微秒：百万分之一秒（microsecond）*／

};

struct timezone {/* 时区 *／

int tz_minuteswest;／* 格林尼治时间往西方的时差 *／

int tz_dsttime;/* 时间修正方式 *／

};

tv_sec表示秒（second），tv_usec表示微秒（microsecond），tv_nsec表示纳秒（nanosecond）。定义tb_usec和tv_nsec的目的是为了适用不同的使用要求，不同的场合根据对时间精度的要求选用这两种表示。另外，Linux还定义了用于表示更加符合大众习惯的时间表示：年、月、日。但是万变不离其宗，所有的时间应用都是建立在jiffies基础之上的。简而言之，jiffies产生于时钟中断！

2 时钟中断

2.1 时钟中断的产生

“时钟中断”是特别重要的一个中断，因为整个操作系统的活动都受到它的激励。系统利用时钟中断维持系统时间、促使环境的切换，以保证所有进程共享CPU；利用时钟中断进行记帐、监督系统工作以及确定未来的调度优先级等工作。可以说，“时钟中断”是整个操作系统的脉搏。

时钟中断的物理产生如图3所示：

图3 8253和8259A的物理连接方式

脉冲信号接到中断控制器8259A_1的0号管脚，触发一个周期性的中断，我们就把这个中断叫做时钟中断，时钟中断的周期，也就是脉冲信号的周期，我们叫做“滴答”或“时标”（tick）。从本质上说，时钟中断只是一个周期性的信号，完全是硬件行为，该信号触发CPU去执行一个中断服务程序，我们就把这个服务程序叫做时钟中断。

2.2.Linux实现时钟中断的全过程

1. 和时钟中断相关的函数

下面我们看时钟中断触发的服务程序，该程序代码比较复杂，分布在不同的源文件中，主要包括如下函数：

时钟中断程序：timer_interrupt( )；

中断服务通用例程do_timer_interrupt();

时钟函数：do_timer( )；

中断安装程序：setup_irq( );

中断返回函数：ret_from_intr( );

前三个函数的调用关系如下：

timer_interrupt( )

do_timer_interrupt()

管理员在2009年8月13日编辑了该文章文章。