Linux的時間與時鐘中斷處理

 本文主要介紹在Linux下的時間實現以及系統如何進行時鐘中斷處理。

一．        Linux 的硬件時間

PC機中的時間有三種硬件時鐘實現，這三種都是基於晶振產生的方波信號輸入。這三種時鐘爲：（1）實時時鐘RTC ( Real Time Clock) （2）可編程間隔器PIT(Programmable Interval Timer )（3）時間戳計數器TSC(Time Stamp Clock)

1.      實時時鐘 RTC
   用於長時間存放系統時間的設備，即時關機後也可依靠主板CMOS電池繼續保持系統的計時，原理圖以下：

Note: Linux與RTC的關係是,當Linux啓動時從RTC讀取時間和日期的基準值，而後在Kernel運行期間便拋開RTC，以軟件的形式維護系統的時間日期，並在適當時機由Kernel將時間寫回RTC Register.

1.1 RTC Register
   (1). 時鐘與日曆Register
        共10個，地址：0x00-0x09,分別用於保存時間日曆的具體信息，詳情以下：
        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).狀態和控制Register

    共四個，地址：0x0a-0x0d,控制RTC芯片的工做方式，並表示當前狀態。

l          狀態RegisterA , 0x0A 格式以下：

         bit［7］——UIP標誌（Update in Progress），爲1表示RTC正在更新日曆寄存器組中的值，此時日曆寄存器組是不可訪問的（此時訪問它們將獲得一個無心義的漸變值）。

bit ［6：4］——這三位是用來定義RTC的操做頻率。各類可能的值以下： 

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機一般設置成「010」。

bit ［3：0］——速率選擇位（Rate Selection bits），用於週期性或方波信號輸出。 
RS3 RS2 RS1 RS0  週期性中斷   方波   週期性中斷   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機BIOS對其默認的設置值是「0110」

l          狀態Register B , 0x0B 格式以下：

bit［7］——SET標誌。爲1表示RTC的全部更新過程都將終止，用戶程序隨後立刻對日曆寄存器組中的值進行初始化設置。爲0表示將容許更新過程繼續。

bit［6］——PIE標誌，週期性中斷enable標誌。

bit［5］——AIE標誌，告警中斷enable標誌。

bit［4］——UIE標誌，更新結束中斷enable標誌。

bit［3］——SQWE標誌，方波信號enable標誌。

bit［2］——DM標誌，用來控制日曆寄存器組的數據模式，0＝BCD，1＝BINARY。BIOS老是將它設置爲0。

bit［1］——24／12標誌，用來控制hour寄存器，0表示12小時制，1表示24小時制。PC機BIOS老是將它設置爲1。

bit［0］——DSE標誌。BIOS老是將它設置爲0。

l          狀態Register C，0x0C 格式以下： 
bit［7］——IRQF標誌，中斷請求標誌，當該位爲1時，說明寄存器B中斷請求 發生。 
bit［6］——PF標誌，週期性中斷標誌，爲1表示發生週期性中斷請求。 
bit［5］——AF標誌，告警中斷標誌，爲1表示發生告警中斷請求。 
bit［4］——UF標誌，更新結束中斷標誌，爲1表示發生更新結束中斷請求。

l          狀態Register D，0x0D 格式以下： 
 bit［7］——VRT標誌（Valid RAM and Time），爲1表示OK，爲0表示RTC 已經掉電。 
 bit［6：0］——老是爲0，未定義。

2. 可編程間隔定時器 PIT

        每一個PC機中都有一個PIT，以經過IRQ0產生週期性的時鐘中斷信號,做爲系統定時器 system timer。當前使用最廣泛的是Intel 8254 PIT芯片，它的I/O端口地址是0x40~0x43。 
Intel 8254 PIT有3個計時通道，每一個通道都有其不一樣的用途： 
（1） 通道0用來負責更新系統時鐘。每當一個時鐘滴答過去時，它就會經過IRQ0向       系統 產生一次時鐘中斷。 
（2） 通道1一般用於控制DMAC對RAM的刷新。 
（3） 通道2被鏈接到PC機的揚聲器，以產生方波信號。 
    每 個通道都有一個向下減少的計數器，8254 PIT的輸入時鐘信號的頻率是1.193181MHZ，也即一秒鐘輸入1193181個clock-cycle。每輸入一個clock-cycle其時間 通道的計數器就向下減1，一直減到0值。所以對於通道0而言，當他的計數器減到0時，PIT就向系統產生一次時鐘中斷，表示一個時鐘滴答已通過去了。計數 器爲16bit,所以所能表示的最大值是65536，一秒內發生的滴答數是：1193181/65536=18.206482.

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

 Note: 因PIT I/O端口是8位，而PIT相應計數器是16位，所以必須對PIT計數器進行兩次讀寫。

   8254 PIT的控制寄存器（0X43）的格式以下：

            bit[7:6] — 通道選擇位：00 ，通道0；01，通道1；10，通道2；11，read-back command,僅8254。

            bit[5:4] – Read/Write/Latch鎖定位，00,鎖定當前計數器以便讀取計數值；01，只讀高字節；10，只讀低字節；11，先高後低。

            bit[3:1] – 設定各通道的工做模式。

          000   mode0       當通道處於count out 時產生中斷信號,可用於系統定時

          001   mode1       Hardware retriggerable one-shot

          010   mode2       Rate Generator。產生實時時鐘中斷,通道0一般工做在這個模式下

          011 mode3        方波信號發生器

          100 mode4        Software triggered strobe

          101 mode5        Hardware triggered strobe

3.  時間戳計數器 TSC

         從Pentium開始，全部的Intel 80x86 CPU就都包含一個64位的時間戳記數器（TSC）的寄存器。該寄存器其實是一個不斷增長的計數器，它在CPU的每一個時鐘信號到來時加1（也即每個clock-cycle輸入CPU時，該計數器的值就加1）。 
    彙編指令rdtsc能夠用於讀取TSC的值。利用CPU的TSC，操做系統一般能夠獲得更爲精準的時間度量。假如clock-cycle的頻率是400MHZ，那麼TSC就將每2.5納秒增長一次。

二．        Linux 時鐘中斷處理程序

1．       幾個概念

（1）時鐘週期（clock cycle）的頻率：8253／8254 PIT的本質就是對由晶體振盪器產生的時鐘週期進行計數，晶體振盪器在1秒時間內產生的時鐘脈衝個數就是時鐘週期的頻率。Linux用宏 CLOCK_TICK_RATE來表示8254 PIT的輸入時鐘脈衝的頻率（在PC機中這個值一般是1193180HZ），該宏定義在include/asm-i386/timex.h頭文件中
#define CLOCK_TICK_RATE 1193180        kernel=2.4 &2.6

（2）時鐘滴答（clock tick）：當PIT通道0的計數器減到0值時，它就在IRQ0上產生一次時鐘中斷，也即一次時鐘滴答。PIT通道0的計數器的初始值決定了要過多少時鐘週期才產生一次時鐘中斷，所以也就決定了一次時鐘滴答的時間間隔長度。

（3）時鐘滴答的頻率（HZ）：1秒時間內PIT所產生的時鐘滴答次數。 這個值也由PIT通道0的計數器初值決定的.Linux內核用宏HZ來表示時鐘滴答的頻率，並且在不一樣的平臺上HZ有不一樣的定義值。對於ALPHA和 IA62平臺HZ的值是1024，對於SPARC、MIPS、ARM和i386等平臺HZ的值都是100。該宏在i386平臺上的定義以下 （include/asm-i386/param.h）：
#define HZ 100    kernel=2.4
#define HZ   CONFIG_HZ       kernel=2.6

（4）宏LATCH：定義要寫到PIT通道0的計數器中的值，它表示PIT將隔多少個時鐘週期產生一次時鐘中斷。公式計算： 
LATCH＝（1秒以內的時鐘週期個數）÷（1秒以內的時鐘中斷次數）＝（CLOCK_TICK_RATE）÷（HZ）
定義在 <include/linux/timex.h>
#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ)

(5)全局變量jiffies:用於記錄系統自啓動以來產生的滴答總數 。啓動時，kernel將該變量初始爲0，每次時鐘中斷處理程序timer_interrupt()將該變量加1。由於一秒鐘內增長的時鐘中斷次數等於Hz，因此jiffies一秒內增長的值也是Hz。由此可得系統運行時間是jiffies/Hz 秒。
jiffies 定義於<linux/jiffies.h>中：
extern unsigned long volatile jiffies;
Note: 在kernel 2.4，jiffies是32位無符號數；kernel 2.6，jiffies是64位無符號數。

（6）全局變量xtime: 結構類型變量，用於表示當前時間距UNIX基準時間1970-01-01 00：00：00的相對秒數值。當系統啓動時，Kernel經過讀取RTC Register中的數據來初始化系統時間（wall_time）,該時間存放在xtime中。
void __init time_init (void) {

              ... ...

              xtime.tv_sec = get_cmos_time ();

              xtime.tv_usec = 0;

... ... }
Note：實時時鐘RTC的最主要做用即是在系統啓動時用來初始化xtime變量。

2 .Linux 的時鐘中斷處理程序

       Linux下時鐘中斷處理由time_interrupt() 函數實現，主要完成如下任務：

l          得到xtime_lock鎖，以便對訪問的jiffies_64 (kernel2.6)和 xtime進行保護

l          須要時應答或從新設置系統時鐘。

l          週期性的使用系統時間（wall_time）更新實時時鐘RTC

l          調用體系結構無關的時鐘例程：do_timer()。

do_timer()主要完成如下任務：

l          更新jiffies；

l          更新系統時間（wall_time）,該時間存放在xtime變量中

l          執行已經到期的動態定時器

l          計算平均負載值
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); //得到xtime_lock鎖

 

                     if(use_cyclone)

                         mark_timeoffset_cyclone();

                     else if (use_tsc) {

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

                     spin_lock (&i8253_lock); //對自旋鎖i8253_lock加鎖，對8254PIT訪問

                     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： 調用do_timer()和判斷是否須要更新CMOS時鐘。更新CMOS時鐘的條件以下：三個須同時成立
    1.系統全局時間狀態變量time_status中沒有設置STA_UNSYNC標誌，即Linux沒有設置外部同步時鐘（如NTP）

    2.自從上次CMOS時鐘更新已通過去11分鐘。全局變量last_rtc_update保存上次更新CMOS時鐘的時間.

    3.因爲RTC存在Update Cycle，所以應在一秒鐘間隔的中間500ms左右調用set_rtc_mmss()函數，將當前時間xtime.tv_sec寫回RTC中。

Note. Linux kernel 中定義了一個相似jiffies的變量wall_jiffies，用於記錄kernel上一次更新xtime時，jiffies的值。

 

Summary ： Linux kernel在啓動時，經過讀取RTC裏的時間日期初始化xtime，此後由kernel經過初始PIT來提供軟時鐘。

                       時鐘中斷處理過程可概括爲：系統時鐘system timer在IRQ0上產生中斷；kernel調用time_interrupt()；time_interrupt()判斷系統是否使用TSC，若使用 則讀取TSC register;而後讀取PIT 通道0的計數值；調用do_time_interrupt(),實現系統時間更新.