中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn Spring 2011 Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn Spring 2011

Linux中的 时钟和定时测量

定时测量 Linux内核提供两种主要的定时测量 定时测量是由基于固定频率振荡器和计数器的几个硬件电路完成的 获得当前的时间和日期 维持定时器 系统调用：time(), ftime()以及gettimeofday() 维持定时器 settimer(), alarm() 定时测量是由基于固定频率振荡器和计数器的几个硬件电路完成的 2019/5/2 Linux OS Analysis

主要内容 定时的硬件设备 Linux内核中与时间有关的程序 实现CPU分时、更新系统时间、维护软定时器 与定时测量相关的系统调用及相关服务例程 2019/5/2 Linux OS Analysis

 硬时钟 80x86体系结构上，内核必须显式的与四种时钟打交道 实时时钟Real time clock，RTC 时间戳计数器Time stamp counter，TSC 可编程间隔定时器Programmable interval timer, PIT CPU本地定时器 高精度事件定时器 ACPI电源管理定时器 用于跟踪 当前时间 产生周期性的时钟中断， 用于计时  2019/5/2 Linux OS Analysis

实时时钟RTC 基本上所有的PC都包含实时时钟 与CMOS RAM往往集成在一个芯片内 独立于CPU与所有其他芯片 依靠一个独立的小电池供电给RTC中的振荡器 即使关闭PC电源，还会继续运转 与CMOS RAM往往集成在一个芯片内 例如：Motorala 146818 能在IRQ8上发出周期性的中断，频率在2HZ~8192之间 可以对其编程实现一个闹钟 2019/5/2 Linux OS Analysis

Linux本身只使用RTC获得时间和日期 对应的设备文件为/dev/rtc 内核通过0x70和0x71两个端口访问RTC 可以通过设备文件对其编程 内核通过0x70和0x71两个端口访问RTC 系统管理员可以通过执行时钟程序设置时钟 2019/5/2 Linux OS Analysis

时间戳计数器TSC 在80x86微处理器中，有一个CLK输入引线 从pentium开始，很多80x86微处理器都引入了一个TSC 接收外部振荡器的时钟信号 从pentium开始，很多80x86微处理器都引入了一个TSC 一个64位的、用作时间戳计数器的寄存器 它在每个时钟信号（CLK）到来时+1 例如时钟频率400MHz的微处理器，TSC每2.5ns就+1 rdtsc指令用于读该寄存器 2019/5/2 Linux OS Analysis

与后面介绍的可编程间隔定时器相比，TSC可以获得更精确的时钟 为此，Linux在系统初始化的时候必须确定时钟信号CLK的频率（即CPU的实际频率） tsc_calibrate 根据在一个相对较长的时间间隔内（约5ms）所发生的TSC计数的个数进行计算 那个间隔由可编程间隔定时器给出 由于只在系统初始化的时候运行一次，因此本程序可以执行较长时间，而不会引起问题 2019/5/2 Linux OS Analysis

可编程间隔定时器PIT 经过适当编程后，可以周期性的给出时钟中断 通常是8254 CMOS芯片 Linux将PIT编程为： 使用I/O端口0x40~0x43 Linux将PIT编程为： 100Hz、1000Hz 通过IRQ0发出时钟中断 每若干毫秒（100Hz为10ms）产生一次时钟中断，即一个tick 2019/5/2 Linux OS Analysis

Tick的长短 短 Tick的设置是一个折中，例如 优点：分辨率高 缺点：需要较多的CPU时间处理，会导致用户程序运行变慢 适用于非常强大的机器，这种机器能够承担较大的系统开销 Tick的设置是一个折中，例如 在大多数惠普的Alpha和Intel的IA-64上约1ms产生一个tick（每秒1024个时钟中断） Rawhide Alpha工作站采用更高（1200tick/秒） 2019/5/2 Linux OS Analysis

在Linux中，下列宏决定时钟中断频率 HZ：每秒钟时钟中断的个数，即每秒tick的个数 8254芯片的内部振荡器频率，每秒多少次 2019/5/2 Linux OS Analysis 对8254分频，获得HZ所需的时钟

在init_pit_timer ()中初始化时钟中断频率 此后，只要允许处理时钟中断，约每10ms就会产生一个时钟中断 1tick约为10ms （当HZ=100） 2019/5/2 Linux OS Analysis

Linux的计时体系结构 更新自系统启动以来所经过的时间 更新时间和日期 确定当前进程的执行时间，考虑是否要抢占 更新资源使用统计计数 检查到期的软定时器 2019/5/2 Linux OS Analysis

在单处理器系统中，所有定时活动都由IRQ0上的时钟中断触发，包括 在中断中立即执行的部分，和 作为下半部分延迟执行的部分 2019/5/2 Linux OS Analysis

计时体系结构中的关键数据结构和变量 系统时钟system timer Jiffies变量 计时时钟源 Xtime变量 时钟中断发生源 2019/5/2 Linux OS Analysis

Jiffies变量 记录系统自启动以来系统产生的tick数 每次时钟中断＋1 jiffies，32位 关于jiffies_64 约50天就溢出 数十亿年才会溢出 2019/5/2 嵌入式OS

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时钟源 时钟源抽象 缺省时钟源 参见数据结构clocksource 是系统时钟源，定义了系统时钟源的接口 include/linux/clocksource.h kernel/time/jiffies.c 2019/5/2 Linux OS Analysis

clocksource_register clocksource_list 按rating排序 注册时钟源： clocksource_register clocksource_list 按rating排序 kernel/time/clocksource.c 2019/5/2 Linux OS Analysis

Jiffies时钟源（缺省时钟源） 2019/5/2 Linux OS Analysis

PIT时钟源 2019/5/2 Linux OS Analysis

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Xtime变量 存放当前时间和日期 kernel/time/timekeeping.c 2019/5/2 嵌入式OS

时间纪元 1970年1月1日（UTC）午夜 include/linux/time.h 2019/5/2 嵌入式OS

Xtime的更新 基本上每个tick更新一次 参见：update_wall_time 根据时钟源来更新xtime的秒数和纳秒数 时钟源 kernel/time/timekeeping.c kernel/time/timekeeping.c 2019/5/2 嵌入式OS

X86中的时钟源及其初始化 start_kernel timekeeping_init 初始化xtime tick_init 注册 tick_notifier time_init choose_time_init即 hpet_time_init read_persistent_clock tsc_init get_wallclock即 native_get_wallclock 注册 clocksource_tsc setup_pit_timer time_init_hook 设置irq0 注册pit_clockevent 设置global_clock_event mach_get_cmos_time 2019/5/2 Linux OS Analysis

时钟中断处理函数 2019/5/2 Linux OS Analysis

在setup_pit_timer中被初始化为pit_clockevent global_clock_event 在setup_pit_timer中被初始化为pit_clockevent 其event_handler在注册过程中，被初始化为tick_handle_periodic tick_handle_periodic的关键是tick_periodic，该函数 调用do_timer和update_process_times 2019/5/2 Linux OS Analysis

do_timer 全局变量，存放自系统启动 以来的时钟节拍数 2019/5/2 Linux OS Analysis

update_process_times 2019/5/2 Linux OS Analysis

软定时器 定时器是一种软件功能，它允许在将来的某个时刻调用某个函数 大多数设备驱动程序利用定时器完成一些特殊工作 软盘驱动程序在软盘暂时不被访问时就关闭设备的发动机 并行打印机利用定时器检测错误的打印机情况 2019/5/2 Linux OS Analysis

Linux中存在两类定时器： 延迟函数 动态定时器 间隔定时器 内核使用 间隔定时器 由进程在用户态创建 注意：由于软定时器在下半部分处理，内核不能保证定时器正好在时钟到期的时候被执行，会存在延迟，不适用于实时应用 延迟函数 2019/5/2 Linux OS Analysis

动态定时器 动态定时器被动态的创建和撤销，当前活动的动态定时器个数没有限制 include/linux/timer.h 2019/5/2 Linux OS Analysis

创建并激活一个动态定时器 创建一个新的timer_list对象 调用init_timer初始化，并设置定时器要处理的函数和参数 设置定时时间 使用add_timer加入到合适的链表中 通常定时器只能执行一次，如果要周期性的执行，必须再次将其加入链表 2019/5/2 Linux OS Analysis

动态定时器的维护 2019/5/2 Linux OS Analysis

数据结构 kernel/timer.c 2019/5/2 Linux OS Analysis

处理 kernel/timer.c kernel/timer.c，函数init_timers中 2019/5/2 Linux OS Analysis

kernel/timer.c 阅读kernel/timer.c 2019/5/2 Linux OS Analysis

动态定时器应用之delayed work kernel/workqueue.c include/linux/workqueue.h 2019/5/2 Linux OS Analysis

动态定时器应用之schedule_timeout kernel/timer.c 2019/5/2 Linux OS Analysis

延迟函数 2019/5/2 Linux OS Analysis

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与定时测量相关的系统调用 time() ftime() gettimeofday() 返回从1970年1月1日凌晨0点开始的秒数 返回从1970年1月1日凌晨0点开始的秒数以及最后一秒的毫秒数 数据结构为timeb gettimeofday() 对应于sys_gettimeofday() 2019/5/2 Linux OS Analysis

settimer() alarm() 间隔定时器 引起SIGALARM信号 频率：周期性的触发定时器（若为0，只触发一次） 2019/5/2 Linux OS Analysis

与时钟相关的命令 date：显示或者更改系统时钟 使用time获得时钟 使用ctime改变时钟格式 2019/5/2 Linux OS Analysis

Project 具体要求参见课程主页 在用户态编写一个程序，该程序设定一个定时器，在时间到期的时候做出某种可观察的响应 方法不限 分析你的程序的实际执行借助了内核的哪些机制 2019/5/2 Linux OS Analysis