Linux内核的时钟中断机制（2）

7．2 Linux内核对RTC的编程
MC146818 RTC芯片（或其他兼容芯片，如DS12887）可以在IRQ8上产生周期性的中断，中断的频率在2HZ～8192HZ之间。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（major=10,minor=135，只读字符设备）。因此用户进程可以通过对她进行编程以使得当RTC到达某个特定的时间值时激活IRQ8线，从而将RTC当作一个闹钟来用。
而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。
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。而通用的RTC接口则声明在include/linux/rtc.h头文件中。

7．2．1 RTC芯片的I/O端口操作
Linux在include/asm-i386/mc146818rtc.h头文件中定义了RTC芯片的I/O端口操作。端口0x70被称为“RTC端口0”，端口0x71被称为“RTC端口1”，如下所示：
#ifndef RTC_PORT
#define RTC_PORT(x) (0x70 + (x))
#define RTC_ALWAYS_BCD 1 /* RTC operates in binary mode */
#endif
显然，RTC_PORT(0)就是指端口0x70，RTC_PORT(1)就是指I/O端口0x71。
端口0x70被用作RTC芯片内部寄存器的地址索引端口，而端口0x71则被用作RTC芯片内部寄存器的数据端口。再读写一个RTC寄存器之前，必须先把该寄存器在RTC芯片内部的地址索引值写到端口0x70中。根据这一点，读写一个RTC寄存器的宏定义CMOS_READ()和CMOS_WRITE()如下：
#define CMOS_READ(addr) ({ /
outb_p((addr),RTC_PORT(0)); /
inb_p(RTC_PORT(1)); /
})
#define CMOS_WRITE(val, addr) ({ /
outb_p((addr),RTC_PORT(0)); /
outb_p((val),RTC_PORT(1)); /
})
#define RTC_IRQ 8
在上述宏定义中，参数addr是RTC寄存器在芯片内部的地址值，取值范围是0x00~0x3F，参数val是待写入寄存器的值。宏RTC_IRQ是指RTC芯片所连接的中断请求输入线号，通常是8。

7．2．2 对RTC寄存器的定义
Linux在include/linux/mc146818rtc.h这个头文件中定义了RTC各寄存器的含义。

（1）寄存器内部地址索引的定义
Linux内核仅使用RTC芯片的时间与日期寄存器组和控制寄存器组，地址为0x00~0x09之间的10个时间与日期寄存器的定义如下：
#define RTC_SECONDS 0
#define RTC_SECONDS_ALARM 1
#define RTC_MINUTES 2
#define RTC_MINUTES_ALARM 3
#define RTC_HOURS 4
#define RTC_HOURS_ALARM 5
/* RTC_*_alarm is always true if 2 MSBs are set */
# define RTC_ALARM_DONT_CARE 0xC0

#define RTC_DAY_OF_WEEK 6
#define RTC_DAY_OF_MONTH 7
#define RTC_MONTH 8
#define RTC_YEAR 9

四个控制寄存器的地址定义如下：
#define RTC_REG_A 10
#define RTC_REG_B 11
#define RTC_REG_C 12
#define RTC_REG_D 13

（2）各控制寄存器的状态位的详细定义
控制寄存器A（0x0A）主要用于选择RTC芯片的工作频率，因此也称为RTC频率选择寄存器。因此Linux用一个宏别名RTC_FREQ_SELECT来表示控制寄存器A，如下：
#define RTC_FREQ_SELECT RTC_REG_A
RTC频率寄存器中的位被分为三组：①bit［7］表示UIP标志；②bit［6：4］用于除法器的频率选择；③bit［3：0］用于速率选择。它们的定义如下：
# define RTC_UIP 0x80
# define RTC_DIV_CTL 0x70
/* Periodic intr. / Square wave rate select. 0=none, 1=32.8kHz,... 15=2Hz */
# define RTC_RATE_SELECT 0x0F
正如7.1.1.1节所介绍的那样，bit［6：4］有5中可能的取值，分别为除法器选择不同的工作频率或用于重置除法器，各种可能的取值如下定义所示：
/* divider control: refclock values 4.194 / 1.049 MHz / 32.768 kHz */
# define RTC_REF_CLCK_4MHZ 0x00
# define RTC_REF_CLCK_1MHZ 0x10
# define RTC_REF_CLCK_32KHZ 0x20
/* 2 values for divider stage reset, others for "testing purposes only" */
# define RTC_DIV_RESET1 0x60
# define RTC_DIV_RESET2 0x70

寄存器B中的各位用于使能／禁止RTC的各种特性，因此控制寄存器B（0x0B）也称为“控制寄存器”，Linux用宏别名RTC_CONTROL来表示控制寄存器B，它与其中的各标志位的定义如下所示：
#define RTC_CONTROL RTC_REG_B
# define RTC_SET 0x80 /* disable updates for clock setting */
# define RTC_PIE 0x40 /* periodic interrupt enable */
# define RTC_AIE 0x20 /* alarm interrupt enable */
# define RTC_UIE 0x10 /* update-finished interrupt enable */
# define RTC_SQWE 0x08 /* enable square-wave output */
# define RTC_DM_BINARY 0x04 /* all time/date values are BCD if clear */
# define RTC_24H 0x02 /* 24 hour mode - else hours bit 7 means pm */
# define RTC_DST_EN 0x01 /* auto switch DST - works f. USA only */

寄存器C是RTC芯片的中断请求状态寄存器，Linux用宏别名RTC_INTR_FLAGS来表示寄存器C，它与其中的各标志位的定义如下所示：
#define RTC_INTR_FLAGS RTC_REG_C
/* caution - cleared by read */
# define RTC_IRQF 0x80 /* any of the following 3 is active */
# define RTC_PF 0x40
# define RTC_AF 0x20
# define RTC_UF 0x10

寄存器D仅定义了其最高位bit［7］，以表示RTC芯片是否有效。因此寄存器D也称为RTC的有效寄存器。Linux用宏别名RTC_VALID来表示寄存器D，如下：
#define RTC_VALID RTC_REG_D
# define RTC_VRT 0x80 /* valid RAM and time */

（3）二进制格式与BCD格式的相互转换
由于时间与日期寄存器中的值可能以BCD格式存储，也可能以二进制格式存储，因此需要定义二进制格式与BCD格式之间的相互转换宏，以方便编程。如下：
#ifndef BCD_TO_BIN
#define BCD_TO_BIN(val) ((val)=((val)&15) + ((val)>>4)*10)
#endif

#ifndef BIN_TO_BCD
#define BIN_TO_BCD(val) ((val)=(((val)/10)<<4) + (val)%10)
#endif

7．2．3 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；（2）内核在需要时将时间与日期回写到RTC中。为此，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。而对于第二种操作，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。下面我们将来分析这二个函数的实现。
在分析get_cmos_time()函数之前，我们先来看看RTC芯片对其时间与日期寄存器组的更新原理。

（1）Update In Progress
当控制寄存器B中的SET标志位为0时，MC146818芯片每秒都会在芯片内部执行一个“更新周期”（Update Cycle），其作用是增加秒寄存器的值，并检查秒寄存器是否溢出。如果溢出，则增加分钟寄存器的值，如此一致下去直到年寄存器。在“更新周期”期间，时间与日期寄存器组（0x00~0x09）是不可用的，此时如果读取它们的值将得到未定义的值，因为MC146818在整个更新周期期间会把时间与日期寄存器组从CPU总线上脱离，从而防止软件程序读到一个渐变的数据。
在MC146818的输入时钟频率（也即晶体增荡器的频率）为4.194304MHZ或1.048576MHZ的情况下，“更新周期”需要花费248us，而对于输入时钟频率为32.768KHZ的情况，“更新周期”需要花费1984us＝1.984ms。控制寄存器A中的UIP标志位用来表示MC146818是否正处于更新周期中，当UIP从0变为1的那个时刻，就表示MC146818将在稍后马上就开更新周期。在UIP从0变到1的那个时刻与MC146818真正开始Update Cycle的那个时刻之间时有一段时间间隔的，通常是244us。也就是说，在UIP从0变到1的244us之后，时间与日期寄存器组中的值才会真正开始改变，而在这之间的244us间隔内，它们的值并不会真正改变。如下图所示：

（2）get_cmos_time()函数
该函数只被内核的初始化例程time_init()和内核的APM模块所调用。其源码如下：
/* not static: needed by APM */
unsigned long get_cmos_time(void)
{
unsigned int year, mon, day, hour, min, sec;
int i;

/* The Linux interpretation of the CMOS clock register contents:
* When the Update-In-Progress (UIP) flag goes from 1 to 0, the
* RTC registers show the second which has precisely just started.
* Let's hope other operating systems interpret the RTC the same way.
*/
/* read RTC exactly on falling edge of update flag */
for (i = 0 ; i < 1000000 ; i++) /* may take up to 1 second... */
if (CMOS_READ(RTC_FREQ_SELECT) & RTC_UIP)
break;
for (i = 0 ; i < 1000000 ; i++) /* must try at least 2.228 ms */
if (!(CMOS_READ(RTC_FREQ_SELECT) & RTC_UIP))
break;
do { /* Isn't this overkill ? UIP above should guarantee consistency */
sec = CMOS_READ(RTC_SECONDS);
min = CMOS_READ(RTC_MINUTES);
hour = CMOS_READ(RTC_HOURS);
day = CMOS_READ(RTC_DAY_OF_MONTH);
mon = CMOS_READ(RTC_MONTH);
year = CMOS_READ(RTC_YEAR);
} while (sec != CMOS_READ(RTC_SECONDS));
if (!(CMOS_READ(RTC_CONTROL) & RTC_DM_BINARY) || RTC_ALWAYS_BCD)
{
BCD_TO_BIN(sec);
BCD_TO_BIN(min);
BCD_TO_BIN(hour);
BCD_TO_BIN(day);
BCD_TO_BIN(mon);
BCD_TO_BIN(year);
}
if ((year += 1900) < 1970)
year += 100;
return mktime(year, mon, day, hour, min, sec);
}
对该函数的注释如下：
（1）在从RTC中读取时间时，由于RTC存在Update Cycle，因此软件发出读操作的时机是很重要的。对此，get_cmos_time()函数通过UIP标志位来解决这个问题：第一个for循环不停地读取RTC频率选择寄存器中的UIP标志位，并且只要读到UIP的值为1就马上退出这个for循环。第二个for循环同样不停地读取UIP标志位，但他只要一读到UIP的值为0就马上退出这个for循环。这两个for循环的目的就是要在软件逻辑上同步RTC的Update Cycle，显然第二个for循环最大可能需要2.228ms(TBUC+max(TUC)=244us+1984us=2.228ms)
(2)从第二个for循环退出后，RTC的Update Cycle已经结束。此时我们就已经把当前时间逻辑定准在RTC的当前一秒时间间隔内。也就是说，这是我们就可以开始从RTC寄存器中读取当前时间值。但是要注意，读操作应该保证在244us内完成（准确地说，读操作要在RTC的下一个更新周期开始之前完成，244us的限制是过分偏执的：－）。所以，get_cmos_time()函数接下来通过CMOS_READ()宏从RTC中依次读取秒、分钟、小时、日期、月份和年分。这里的do{}while(sec!=CMOS_READ(RTC_SECOND))循环就是用来确保上述6个读操作必须在下一个Update Cycle开始之前完成。
（3）接下来判定时间的数据格式，PC机中一般总是使用BCD格式的时间，因此需要通过BCD_TO_BIN()宏把BCD格式转换为二进制格式。
（4）接下来对年分进行修正，以将年份转换为“19XX”的格式，如果是1970以前的年份，则将其加上100。
（5）最后调用mktime()函数将当前时间与日期转换为相对于1970－01－01 00：00：00的秒数值，并将其作为函数返回值返回。

函数mktime()定义在include/linux/time.h头文件中，它用来根据Gauss算法将以year/mon/day/hour/min/sec（如1980－12－31 23：59：59）格式表示的时间转换为相对于1970－01－01 00：00：00这个UNIX时间基准以来的相对秒数。其源码如下：
static inline unsigned long
mktime (unsigned int year, unsigned int mon,
unsigned int day, unsigned int hour,
unsigned int min, unsigned int sec)
{
if (0 >= (int) (mon -= 2)) { /* 1..12 -> 11,12,1..10 */
mon += 12; /* Puts Feb last since it has leap day */
year -= 1;
}

return (((
(unsigned long) (year/4 - year/100 + year/400 + 367*mon/12 + day) +
year*365 - 719499
)*24 + hour /* now have hours */
)*60 + min /* now have minutes */
)*60 + sec; /* finally seconds */
}

（3）set_rtc_mmss()函数
该函数用来更新RTC中的时间，它仅有一个参数nowtime，是以秒数表示的当前时间，其源码如下：
static int set_rtc_mmss(unsigned long nowtime)
{
int retval = 0;
int real_seconds, real_minutes, cmos_minutes;
unsigned char save_control, save_freq_select;

/* gets recalled with irq locally disabled */
spin_lock(&rtc_lock);
save_control = CMOS_READ(RTC_CONTROL); /* tell the clock it's being set */
CMOS_WRITE((save_control|RTC_SET), RTC_CONTROL);

save_freq_select = CMOS_READ(RTC_FREQ_SELECT); /* stop and reset prescaler */
CMOS_WRITE((save_freq_select|RTC_DIV_RESET2), RTC_FREQ_SELECT);

cmos_minutes = CMOS_READ(RTC_MINUTES);
if (!(save_control & RTC_DM_BINARY) || RTC_ALWAYS_BCD)
BCD_TO_BIN(cmos_minutes);

/*
* since we're only adjusting minutes and seconds,
* don't interfere with hour overflow. This avoids
* messing with unknown time zones but requires your
* RTC not to be off by more than 15 minutes
*/
real_seconds = nowtime % 60;
real_minutes = nowtime / 60;
if (((abs(real_minutes - cmos_minutes) + 15)/30) & 1)
real_minutes += 30; /* correct for half hour time zone */
real_minutes %= 60;

if (abs(real_minutes - cmos_minutes) < 30) {
if (!(save_control & RTC_DM_BINARY) || RTC_ALWAYS_BCD) {
BIN_TO_BCD(real_seconds);
BIN_TO_BCD(real_minutes);
}
CMOS_WRITE(real_seconds,RTC_SECONDS);
CMOS_WRITE(real_minutes,RTC_MINUTES);
} else {
printk(KERN_WARNING
"set_rtc_mmss: can't update from %d to %d/n",
cmos_minutes, real_minutes);
retval = -1;
}

/* The following flags have to be released exactly in this order,
* otherwise the DS12887 (popular MC146818A clone with integrated
* battery and quartz) will not reset the oscillator and will not
* update precisely 500 ms later. You won't find this mentioned in
* the Dallas Semiconductor data sheets, but who believes data
* sheets anyway ... -- Markus Kuhn
*/
CMOS_WRITE(save_control, RTC_CONTROL);
CMOS_WRITE(save_freq_select, RTC_FREQ_SELECT);
spin_unlock(&rtc_lock);

return retval;
}
对该函数的注释如下：
（1）首先对自旋锁rtc_lock进行加锁。定义在arch/i386/kernel/time.c文件中的全局自旋锁rtc_lock用来串行化所有CPU对RTC的操作。
（2）接下来，在RTC控制寄存器中设置SET标志位，以便通知RTC软件程序随后马上将要更新它的时间与日期。为此先把RTC_CONTROL寄存器的当前值读到变量save_control中，然后再把值（save_control | RTC_SET）回写到寄存器RTC_CONTROL中。
（3）然后，通过RTC_FREQ_SELECT寄存器中bit［6：4］重启RTC芯片内部的除法器。为此，类似地先把RTC_FREQ_SELECT寄存器的当前值读到变量save_freq_select中，然后再把值（save_freq_select ｜ RTC_DIV_RESET2）回写到RTC_FREQ_SELECT寄存器中。
（4）接着将RTC_MINUTES寄存器的当前值读到变量cmos_minutes中，并根据需要将它从BCD格式转化为二进制格式。
（5）从nowtime参数中得到当前时间的秒数和分钟数。分别保存到real_seconds和real_minutes变量。注意，这里对于半小时区的情况要修正分钟数real_minutes的值。
（6）然后，在real_minutes与RTC_MINUTES寄存器的原值cmos_minutes二者相差不超过30分钟的情况下，将real_seconds和real_minutes所表示的时间值写到RTC的秒寄存器和分钟寄存器中。当然，在回写之前要记得把二进制转换为BCD格式。
（7）最后，恢复RTC_CONTROL寄存器和RTC_FREQ_SELECT寄存器原来的值。这二者的先后次序是：先恢复RTC_CONTROL寄存器，再恢复RTC_FREQ_SELECT寄存器。然后在解除自旋锁rtc_lock后就可以返回了。

最后，需要说明的一点是，set_rtc_mmss()函数尽可能在靠近一秒时间间隔的中间位置（也即500ms处）左右被调用。此外，Linux内核对每一次成功的更新RTC时间都留下时间轨迹，它用一个系统全局变量last_rtc_update来表示内核最近一次成功地对RTC进行更新的时间（单位是秒数）。该变量定义在arch/i386/kernel/time.c文件中：
/* last time the cmos clock got updated */
static long last_rtc_update;
每一次成功地调用set_rtc_mmss()函数后，内核都会马上将last_rtc_update更新为当前时间（具体请见7.4.3节）。