Linux时间子系统（下）

前言：

上一篇文章我们简单了解了一些关于时间的概念，以及Linux内核中的关于时间的基本理解。而本篇则会简单说明时钟硬件，以及Linux时间子系统相关的一些数据结构。

计算机里的时钟硬件

前文曾经提到过，内核时间子系统的实现也需要有硬件的支持。在计算机里一共有三类时钟硬件，分别是真时钟RTC(Real Time Clock)、定时器Timer、计时器Counter。

那生活中的场景举例，我们可以理解成RTC相当于是手表、座钟，定时器相当于是闹钟，计时器当然就是运动会中的计时器。

注意这是三类时钟硬件，而不是三个，某一类时钟可能有多个不同的硬件，某一个时钟硬件也可能实现多种不同的时钟类型。

计算机中还有其它的时钟类型，比如晶振时钟，是驱动CPU运行的周期信号，用来触发和同步CPU内部的操作，我们常说某CPU是多少GHz，就是说这个时钟晶振每秒向CPU发送多少信号。

晶振时钟一般在CPU内部，但有些嵌入式CPU的晶振在外部。时钟晶振在软件层不可见。还有一些设备也有自己的时钟，还有相应的驱动可以控制它。由于这些时钟都和时间子系统关系不大，所以本文中就不讨论它们了。

再具体点的话，我们以x86平台上的时钟举例说说：

1. 真时钟RTC，在x86上的硬件实现也叫做RTC，和CMOS(计算机中有很多叫做CMOS的东西，但是是不同的概念，此处的CMOS是指BIOS设置保存数据的地方)，是放在一起的。由于在关机后都需要供电，所以两者放在一起，由一个纽扣电池供电。所以有时候也会被人叫做CMOS时钟。
2. 定时器Timer，在UP时代是PIT(Programmable Interval Timer)，它以固定时间间隔向CPU发送中断信号。PIT可以在系统启动时设置每秒产生多少个定时器中断，一般设置是100,250,300,1000，这个值叫做HZ。到了SMP时代，PIT就不适用了，此时有多种不同的定时器。有一个叫做Local APIC Timer的定时器，它是和中断系统相关的。中断系统有一个全局的IO APIC，有NR_CPU个Local APIC，一个Local APIC对应一个CPU。所以在每个Local APIC都安装一个定时器，专门给自己对应的CPU发送定时器中断，就很方便。还有一个定时器叫做HPET(High Precision Event Timer)，它是Intel和微软共同研发的。它不仅是个定时器，而且还有计时器的功能。HPET不和特定的CPU绑定，所以它可以给任意一个CPU发中断，这点和Local APIC Timer不同。
3. 计时器Counter，RTC或者定时器虽然也可以实现计时器的目的，但是由于精度太差，所以系统都有专门的计时器硬件。计时器一般都是一个整数寄存器，以特定的时间间隔增长，比如说1纳秒增加1，这样两次读它的值就可以算出其中的时间差，而且精度很高。x86上最常用的计时器叫做TSC(Time Stamp Counter)，是个64位整数寄存器。还有一个计时器叫做ACPI PMT(ACPI Power Management Timer)，但是它是一个设备寄存器，需要通过IO端口来读取。而TSC是CPU寄存器，可以直接读取，读取速度就非常快。

Linux时间子系统的文件汇总

Linux kernel 时间子系统的源文件位于linux/kernel/time/目录下，基本包含如下：

这里面也包含几个重要的数据结构，接下来会分开说说：

Clocksource: 时钟源

clock source又被叫做时钟源，如果它的频率是10MHZ，就代表它每秒增加10M次，每增长一次我们称cycle加一，而且两次增长的时间间隔相同，通过这个性质，可以在两个时间点读取clock souce，相减得到一个差值，这个差值 / 频率就可以得到两个时间点的时间间隔。

设cycles：两个时间点的cycle差值，hz ：每一纳秒的cycle值，time ：两点之间的时间差(ns为单位)

所以可得：time = cycles/ hz

可以看到，通过cycles和hz做除法，可以很轻松的获得两时间点的具体时间差，但是落到代码中，就没那么简单了。

内核中因为效率或者兼容性问题，禁用了浮点数运算，如果用整数除法那么精度会受到影响，速度也不高，所以内核中用了乘法和移位运算的方式来实现上述公式，虽然也有误差，但运算速度很高。

内核计算时间差的公式：time = (cycles * mul) >> shift,计算mul和shift的过程如下：

下面详细解释一下这个计算过程：

上述代码，part2 很好理解，就是根据 mul = (time << shift) / cycle，做计算，part1可能比较难理解，意义如下：

time = (cycles * mul) >> shift，可以看到想要获取time，先要cycles * mul，如果cycles * mul溢出了，那计算结果就完全错误了，所以要对mul的值做限制，保证任何 可能的cycle的值 和mul值相乘都不会溢出，这就是part1的作用。

要达成不产生溢出的要求，首先要明确可能的cycle的值的范围，cycle一般是两次中断之间的时钟源计数差值。所以，求cycle值范围的问题，就转化成了，两次时钟中断的最长间隔。目前两次时钟中断的最长间隔被假设成了10分钟。

为什么是10分钟？这是以下两个因素互相平衡做取舍的结果：

1. 计算精度，从计算精度来看，mul的值肯定是越大越好，mul的值越大，得到的time值的精度也就越高，当然mul值越大，cycles的最大值就越小，这会影响到第二个因素"能耗".
2. 能耗角度，这个和低功耗相关，因为如果系统处于idle线程的状态，会通过wfi进入低功耗状态，此时如果有中断来临，会让cpu退出,所以如果两次timer中断间隔时间太短，会增加功耗。

综上两点，内核选择 10分钟 这个值，作为两次时间中断的时间间隔最大值，该逻辑可以在init_time_arch()中体现。

timer_device:时钟设备(也叫clock_event_device)

clocksrouce和clock_event_device之间的关系如上图所示。

在arm平台(其他平台应该也是类似)的设计中，硬件定时器设备和时钟源设备是配合使用的，硬件定时器可以设置时钟源到达何值时会产生一个中断。在smp系统中，为了减少处理器间的通信开销，基本上每个cpu都会具备一个属于自己的本地timer_device，独立地为该cpu提供时钟事件服务，smp中的每个cpu基于本地timer_device，建立自己的高精度定时器。

timekeeping模块

所谓timekeeping，如字面意思，就是让时间持续更新下去。

linux内核中维护了有三种时间概念：

1. Wall time 现实时间。
2. MONOTONIC time: 递增时间，从系统被启动时候开始计算，但不包含cpu低功耗状态的时间。
3. Boot time: 递增的时间，在monotonic时间的基础上增加cpu的低功耗状态的时间。

上面三种时间通过 xtime变量计算，xtime会在系统启动的时候通过从rtc获取的值来初始化，之后通过每次时钟中断的时候，加上当前时间和上次中断产生时间的差值。

可能会有的疑问：为什么需要维护xtime，每次需要获取时间的时候读取rtc不就好了？但其实读取rtc也有缺点，比如：

1. 读取rtc的效率不高，所以一般只在初始化的时候维护一次。
2. rtc能提供的时间精度一般很低，最多就到毫秒级别，自己通过clock_source维护可以达到ns级别。

高精度定时器和低精度定时器：

传统的低精度定时器，是指让硬件定时器每隔固定时间(1ms或者10ms)产生一次中断，这种操作的默认语义就是允许产生ms级的延迟，这种时钟中断频率作为任务调度用途来说还可以接受，但是如果有更高精度需求的设备就完全无法满足了。

所以就出现了高精度定时器这种形式，它和低精度定时器的最大差别点在于：低精度是被动的等待下一次固定间隔的时钟中断的到来，而高精度定时器则会主动去设置硬件定时器，让它在第几个cycle上产生中断，从而满足自己的需求。

很自然的可以推测出来，如果要实现高精度定时器，那么必须保证硬件定时器支持one-shot模式，也就是可以以变化的中断频率出现。

同时为了满足 任务调度的需求和原来系统的对 周期性时钟中断的依赖，专门安排了一个hrtimer来按照(CONFIG_CPU_HZ)规定的频率来对硬件定时器进行设置，从而达到周期性产生时钟中断的效果。

相信通过两期的内容，可以帮助大家对计算机时间子系统有一个大概的了解，同时更好的理解hrtimer和timekeeping原理。显然关于Linux时间子系统的内容，还有很多可以深入挖掘，在此篇幅有限，就不做过多赘述了，也希望同样对操作系统感兴趣的小伙伴与我们一起交流。

部分内容出自：

CSDN博主「wmzjzwlzs」的原创文章，原文链接：https://blog.csdn.net/wmzjzwlzs/article/details/131617402

以及蜗窝科技 http://www.wowotech.net/timer_subsystem/time-subsyste-architecture.html