Linux内核的时钟中断机制

一、主要内容：

从内核实现的角度分析：

•  Linux 2.4.0内核的时钟中断
• 内核对时间的表示
  

二、内核主要需要两种类型的时间:

• 在内核运行期间持续记录当前的时间和日期，以使内核对某些文件、对象等作时间标记(就是我们通常所说“"时间戳”)，或者供用户通过时间syscall进行检索。
• 定时器(维持固定周期)，以提醒内核或用户一段时间已经过去了

因此，时间在内核中很重要，它是驱动内核运行的“起搏器”。

三、时钟类型：

1、PC机中的时间是由三种时钟硬件提供的，并且都是基于固定频率的晶体振荡器来提供时钟方波信号输入的：

• 实时时钟(RTC)
• 可编程间隔定时器(PTI: Programmable  Interval Timer)
• 时间戳计数器(TSC: Time Stamp Counter)

2、时钟硬件介绍：
 
   2.1 实时时钟RTC：

2.1.1   自从IBM PC AT以来，所有的PC机就都包含了一个叫实时时钟的时钟芯片，它是通过主板上的电池来供电的，而不是通过PC机的电源供电，因此：在PC机断电后，RTC仍然能够运行，继续保持时间。最常见的RTC芯片是MC146818（Motorola）和DS12887（maxim），DS12887完全兼容于MC146818，并有一定的扩展。
    Linux内核对RTC的唯一用途就是把RTC用作“离线”或“后台”的时间与日期维护器。当Linux内核启动时，它从RTC中读取时间与日期的基准 值。然后再运行期间内核就完全抛开RTC，从而以软件的形式维护系统的当前时间与日期，并在需要时将时间回写到RTC芯片中。
   
2.1.2  相关内核代码：

•  与MC146818 RTC对应的设备驱动程序实现在include/linux/rtc.h和drivers／char/rtc.c文件中，对应的设备文件是／dev/rtc；
• Linux在include/linux/mc146818rtc.h和include/asm-i386/mc146818rtc.h头文件中分别定义了mc146818 RTC芯片各寄存器的含义以及RTC芯片在i386平台上的I/O端口操作。
  
• 通用的RTC接口则声明在include/linux/rtc.h头文件中。 

2.1.3 内核对RTC的操作：

如前所述，Linux内核与RTC进行互操作的时机只有两个：
（1）内核在启动时从RTC中读取启动时的时间与日期 , Linux内核在arch/i386/kernel/time.c文件中实现了函数get_cmos_time()来进行对RTC的第一种操作。显然，get_cmos_time()函数仅仅在内核启动时被调用一次。；
（2）内核在需要时将时间与日期回写到RTC中，Linux则同样在arch/i386/kernel/time.c文件中实现了函数set_rtc_mmss()，以支持向RTC中回写当前时间与日期。

 
       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。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。
    
      3） 时间戳计数器TSC：
     从Pentium开始，所有的Intel 80x86 CPU就都又包含一个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）。
     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。

四、Linux对时间的表示：

1、通常，操作系统可以使用三种方法来表示系统的当前时间与日期：
    ①最简单的一种方法就是直接用一个64位的计数器来对时钟滴答进行计数。
    ②第二种方法就是用一个32位计数器来对秒进行计数，同时还用一个32位的辅助计数器对时钟滴答计数，直至累积到一秒为止。因为232超过136年，因此这种方法直至22世纪都可以让系统工作得很好。
    ③第三种方法也是按时钟滴答进行计数，但是是相对于系统启动以来的滴答次数，而不是相对于相对于某个确定的外部时刻；当读外部后备时钟（如RTC）或用户输入实际时间时，根据当前的滴答次数计算系统当前时间。

UNIX类操作系统通常采用第三种方法来维护系统的时间和日期。作为一种UNIX类操作系统，Linux当然也是采用第三种方式来表示系统的当前时间的。

2、Linux内核时钟驱动中的一些基本概念：

• 时钟周期(clock cycle)的频率:  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。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，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 /* Underlying HZ */
• 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。
• 时钟滴答的频率（HZ）：也即1秒时间内PIT所产生的时钟滴答次数，也就是PIT1秒内发生的时钟中断次数。类似地，这个值也是由PIT通道0的计数器初值决定的（反过来说，确定了时钟滴答的频率值后也就可以确定8254 PIT通道0的计数器初值）。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）：
  #ifndef HZ
  #define HZ 100
  #endif
  根据HZ的值，我们也可以知道一次时钟滴答的具体时间间隔应该是（1000ms／HZ）＝10ms。即每10ms发生一次时钟中断。
• 时钟滴答的时间间隔：Linux用全局变量tick来表示时钟滴答的时间间隔长度，该变量定义在kernel/timer.c文件中，如下：
  long tick = (1000000 + HZ/2) / HZ; /* timer interrupt period */
  tick 变量的单位是微妙（μs），由于在不同平台上宏HZ的值会有所不同，因此方程式tick＝1000000÷HZ的结果可能会是个小数，因此将其进行四舍五 入成一个整数，所以Linux将tick定义成（1000000＋HZ／2）／HZ，其中被除数表达式中的HZ／2的作用就是用来将tick值向上圆整成 一个整型数。
  另外，Linux还用宏TICK_SIZE来作为tick变量的引用别名（alias），其定义如下（arch／i386/kernel/time.c）：
  #define TICK_SIZE tick
• 宏LATCH：Linux用宏LATCH来定义要写到PIT通道0的计数器中的值，它表示PIT将每隔多少个时钟周期产生一次时钟中断。显然LATCH应该由下列公式计算：
  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）
  类似地，上述公式的结果可能会是个小数，应该对其进行四舍五入。所以，Linux将LATCH定义为（include/linux/timex.h）：
  /* LATCH is used in the interval timer and ftape setup. */
  #define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* For divider */
  类似地，被除数表达式中的HZ／2也是用来将LATCH向上圆整成一个整数。

3、Linux内核在表示系统当前时间时用到的三个重要数据结构：

• 全局变量jiffies(瞬间的含义)：这是一个32位的无符号整数，用来表示自内核上一次启动以来的时钟滴答次数(也是时钟中断次数)。每发生一次时钟滴答，内核的时钟中断处理函数timer_interrupt（）都要将该全局变量jiffies加1。该变量定义在kernel/timer.c源文件中，如下所示：
  unsigned long volatile jiffies;
  C语言限定符volatile表示jiffies是一个易该变的变量，因此编译器将使对该变量的访问从不通过CPU内部cache来进行。
• 全局变量xtime: 它是一个timeval结构类型的变量，用来表示当前时间距UNIX时间基准1970－01－01 00：00：00的相对秒数值。Linux内核通过timeval结构类型的全局变量xtime来维持当前时间，该变量定义在kernel/timer.c文件中，如下所示：
  /* The current time */
  volatile struct timeval xtime __attribute__ ((aligned (16)));
  但 是，全局变量xtime所维持的当前时间通常是供用户来检索和设置的，而其他内核模块通常很少使用它（其他内核模块用得最多的是jiffies），因此对 xtime的更新并不是一项紧迫的任务，所以这一工作通常被延迟到时钟中断的底半部分（bottom half）中来进行。由于bottom half的执行时间带有不确定性，因此为了记住内核上一次更新xtime是什么时候，Linux内核定义了一个类似于jiffies的全局变量 wall_jiffies，来保存内核上一次更新xtime时的jiffies值。时钟中断的底半部分每一次更新xtime的时侯都会将 wall_jiffies更新为当时的jiffies值。全局变量wall_jiffies定义在kernel/timer.c文件中：
  /* jiffies at the most recent update of wall time */
  unsigned long wall_jiffies;
  

下面介绍一下结构体timeval，它是Linux内核表示时间的一种格式（Linux内核对时间的表示有多种格式，每种格式都有不同的时间精度），其时间精度是微秒。该结构是内核表示时间时最常用的一种格式，它定义在头文件include/linux/time.h中，如下所示：
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */
suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
};
其中，成员tv_sec表示当前时间距UNIX时间基准的秒数值，而成员tv_usec则表示一秒之内的微秒值，且1000000>tv_usec>＝0。

• 全局变量sys_tz: 它是一个timezone结构类型的全局变量，表示系统当前的时区信息。结构类型timezone定义在include/linux/time.h头文件中，如下所示：
  struct timezone {
  int tz_minuteswest; /* minutes west of Greenwich */
  int tz_dsttime; /* type of dst correction */
  };
  基于上述结构，Linux在kernel/time.c文件中定义了全局变量sys_tz表示系统当前所处的时区信息，如下所示：
  struct timezone sys_tz;

未完待续...


参考资料：
   Linux内核的时钟中断机制
   http://blog.csdn.net/zxg623/archive/2007/09/20/1792224.aspx