Linux时间子系统（下）_准时器_时钟

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序言：

上一篇文章我们大略理解了一些关于韶光的观点，以及Linux内核中的关于韶光的基本理解。

Linux时间子系统（下）_准时器_时钟智能

而本篇则会大略解释时钟硬件，以及Linux韶光子系统干系的一些数据构造。

打算机里的时钟硬件

前文曾经提到过，内核韶光子系统的实现也须要有硬件的支持。
在打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相称于是腕表、座钟，定时器相称于是闹钟，计时器当然便是运动会中的计时器。

把稳这是三类时钟硬件，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。

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

晶振时钟一样平常在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掌握它。
由于这些时钟都和韶光子系统关系不大，以是本文中就不谈论它们了。

再详细点的话，我们以x86平台上的时钟举例说说：

真时钟RTC，在x86上的硬件实现也叫做RTC，和CMOS(打算机中有很多叫做CMOS的东西，但是是不同的观点，此处的CMOS是指BIOS设置保存数据的地方)，是放在一起的。
由于在关机后都须要供电，以是两者放在一起，由一个纽扣电池供电。
以是有时候也会被人叫做CMOS时钟。

定时器Timer，在UP时期是PIT(Programmable Interval Timer)，它以固定时间间隔向CPU发送中断旗子暗记。
PIT可以在系统启动时设置每秒产生多少个定时器中断，一样平常设置是100,250,300,1000，这个值叫做HZ。
到了SMP时期，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，它是和中断系统干系的。
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。
以是在每个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反面特定的CPU绑定，以是它可以给任意一个CPU发中断，这点和Local APIC Timer不同。

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，以是系统都有专门的计时器硬件。
计时器一样平常都是一个整数寄存器，以特定的韶光间隔增长，比如说1纳秒增加1，这样两次读它的值就可以算出个中的韶光差，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，须要通过IO端口来读取。
而TSC是CPU寄存器，可以直接读取，读取速率就非常快。

Linux韶光子系统的文件汇总

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

这里面也包含几个主要的数据构造，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，而且两次增长的韶光间隔相同，通过这个性子，可以在两个韶光点读取clock souce，相减得到一个差值，这个差值 / 频率就可以得到两个韶光点的韶光间隔。

设cycles：两个韶光点的cycle差值，hz ：每一纳秒的cycle值，time ：两点之间的韶光差(ns为单位)

以是可得：time = cycles/ hz

可以看到，通过cycles和hz做除法，可以很轻松的得到两韶光点的详细韶光差，但是落到代码中，就没那么大略了。

内核中由于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，速率也不高，以是内核中用了乘法和移位运算的办法来实现上述公式，虽然也有偏差，但运算速率很高。

内核打算韶光差的公式：time = (cycles mul) >> shift,打算mul和shift的过程如下：

下面详细阐明一下这个打算过程：

上述代码，part2 很好理解，便是根据 mul = (time << shift) / cycle，做打算，part1可能比较难明得，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，那打算结果就完备缺点了，以是要对mul的值做限定，担保任何可能的cycle的值和mul值相乘都不会溢出，这便是part1的浸染。

要达成不产生溢出的哀求，首先要明确可能的cycle的值的范围，cycle一样平常是两次中断之间的时钟源计数差值。
以是，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？这因此下两个成分相互平衡做取舍的结果：

打算精度，从打算精度来看，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，这会影响到第二个成分\"大众能耗\"大众.

能耗角度，这个和低功耗干系，由于如果系统处于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,以是如果两次timer中断间隔韶光太短，会增加功耗。

综上两点，内核选择 10分钟这个值，作为两次韶光中断的韶光间隔最大值，该逻辑可以在init_time_arch()中表示。

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(其他平台该当也是类似)的设计中，硬件定时器设备和时钟源设备是合营利用的，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确当地timer_device，独立地为该cpu供应时钟事宜做事，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，便是让韶光持续更新下去。

linux内核中掩护了有三种韶光观点：

Wall time 现实韶光。

MONOTONIC time: 递增韶光，从系统被启动时候开始打算，但不包含cpu低功耗状态的韶光。

Boot time: 递增的韶光，在monotonic韶光的根本上增加cpu的低功耗状态的韶光。

上面三种韶光通过 xtime变量打算，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，加上当前韶光和上次中断产生韶光的差值。

可能会有的疑问：为什么须要掩护xtime，每次须要获取韶光的时候读取rtc不就好了？但实在读取rtc也有缺点，比如：

读取rtc的效率不高，以是一样平常只在初始化的时候掩护一次。

rtc能供应的韶光精度一样平常很低，最多就到毫秒级别，自己通过clock_source掩护可以达到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便是许可产生ms级的延迟，这种时钟中断频率作为任务调度用场来说还可以接管，但是如果有更高精度需求的设备就完备无法知足了。