linux驱动中时间相关问题

1. linux世界里的时间 http://blog.csdn.net/freedom1013/archive/2007/03/13/1528310.aspx

 

通常，操作系统可以使用三种方法来表示系统的当前时间与日期：

①最简单的一种方法就是直接用一个64位的计数器来对时钟滴答进行计数。

②第二种方法就是用一个32位计数器来对秒进行计数，同时还用一个32位的辅助计数器对时钟滴答计数，之子累积到一秒为止。因为232超过136年，因此这种方法直至22世纪都可以让系统工作得很好。

③第三种方法也是按时钟滴答进行计数，但是是相对于系统启动以来的滴答次数，而不是相对于相对于某个确定的外部时刻；当读外部后备时钟（如RTC）或用户输入实际时间时，根据当前的滴答次数计算系统当前时间。

UNIX类操作系统通常都采用第三种方法来维护系统的时间与日期。

 

1 基本概念

首先，有必要明确一些Linux内核时钟驱动中的基本概念。

（1）时钟周期（clock cycle）的频率：8253／8254 PIT的本质就是对由晶体振荡器产生的时钟周期进行计数，晶体振荡器在1秒时间内产生的时钟脉冲个数就是时钟周期的频率。

Linux用宏CLOCK_TICK_RATE来表示8254 PIT的输入时钟脉冲的频率（在PC机中这个值通常是1193180HZ），该宏定义在include/asm-i386/timex.h头文件中：

#define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* Underlying HZ */

（2）时钟滴答（clock tick）：我们知道，当PIT通道0的计数器减到0值时，它就在IRQ0上产生一次时钟中断，也即一次时钟滴答。PIT通道0的计数器的初始值决定了要过多少时钟周期才产生一次时钟中断，因此也就决定了一次时钟滴答的时间间隔长度。

（3）时钟滴答的频率（HZ）：也即1秒时间内PIT所产生的时钟滴答次数。类似地，这个值也是由PIT通道0的计数器初值决定的（反过来说，确定了时钟滴答的频率值后也就可以确定8254 PIT通道0的计数器初值）。Linux内核用宏HZ来表示时钟滴答的频率，而且在不同的平台上HZ有不同的定义值。对于ALPHA和IA62平台HZ的值是1024，对于SPARC、MIPS、ARM和i386等平台HZ的值都是100。该宏在i386平台上的定义如下（include/asm-i386/param.h）：

#ifndef HZ

#define HZ 100

#endif

根据HZ的值，我们也可以知道一次时钟滴答的具体时间间隔应该是（1000ms／HZ）＝10ms。

（4）时钟滴答的时间间隔：Linux用全局变量tick来表示时钟滴答的时间间隔长度，该变量定义在kernel/timer.c文件中，如下：

long tick = (1000000 + HZ/2) / HZ; /* timer interrupt period */

tick变量的单位是微妙（μs），由于在不同平台上宏HZ的值会有所不同，因此方程式tick＝1000000÷HZ的结果可能会是个小数，因此将其进行四舍五入成一个整数，所以Linux将tick定义成（1000000＋HZ／2）／HZ，其中被除数表达式中的HZ／2的作用就是用来将tick值向上圆整成一个整型数。

另外，Linux还用宏TICK_SIZE来作为tick变量的引用别名（alias），其定义如下（arch／i386/kernel/time.c）：

#define TICK_SIZE tick

（5）宏LATCH：Linux用宏LATCH来定义要写到PIT通道0的计数器中的值，它表示PIT将没隔多少个时钟周期产生一次时钟中断。显然LATCH应该由下列公式计算：

LATCH＝（1秒之内的时钟周期个数）÷（1秒之内的时钟中断次数）＝（CLOCK_TICK_RATE）÷（HZ）

类似地，上述公式的结果可能会是个小数，应该对其进行四舍五入。所以，Linux将LATCH定义为（include/linux/timex.h）：

/* LATCH is used in the interval timer and ftape setup. */

#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* For divider */

类似地，被除数表达式中的HZ／2也是用来将LATCH向上圆整成一个整数。

 

2 表示系统当前时间的内核数据结构

作为一种UNIX类操作系统，Linux内核显然采用本节一开始所述的第三种方法来表示系统的当前时间。Linux内核在表示系统当前时间时用到了三个重要的数据结构：

①全局变量jiffies：这是一个32位的无符号整数，用来表示自内核上一次启动以来的时钟滴答次数。每发生一次时钟滴答，内核的时钟中断处理函数timer_interrupt（）都要将该全局变量jiffies加1。该变量定义在kernel/timer.c源文件中，如下所示：

unsigned long volatile jiffies;

C语言限定符volatile表示jiffies是一个易该变的变量，因此编译器将使对该变量的访问从不通过CPU内部cache来进行。

②全局变量xtime：它是一个timeval结构类型的变量，用来表示当前时间距UNIX时间基准1970－01－01 00：00：00的相对秒数值。结构timeval是Linux内核表示时间的一种格式（Linux内核对时间的表示有多种格式，每种格式都有不同的时间精度），其时间精度是微秒。该结构是内核表示时间时最常用的一种格式，它定义在头文件include/linux/time.h中，如下所示：

struct timeval {

time_t tv_sec; /* seconds */

suseconds_t tv_usec; /* microseconds */

};

其中，成员tv_sec表示当前时间距UNIX时间基准的秒数值，而成员tv_usec则表示一秒之内的微秒值，且1000000>tv_usec>＝0。

Linux内核通过timeval结构类型的全局变量xtime来维持当前时间，该变量定义在kernel/timer.c文件中，如下所示：

/* The current time */

volatile struct timeval xtime __attribute__ ((aligned (16)));

但是，全局变量xtime所维持的当前时间通常是供用户来检索和设置的，而其他内核模块通常很少使用它（其他内核模块用得最多的是jiffies），因此对xtime的更新并不是一项紧迫的任务，所以这一工作通常被延迟到时钟中断的底半部分（bottom half）中来进行。由于bottom half的执行时间带有不确定性，因此为了记住内核上一次更新xtime是什么时候，Linux内核定义了一个类似于jiffies的全局变量wall_jiffies，来保存内核上一次更新xtime时的jiffies值。时钟中断的底半部分每一次更新xtime的时侯都会将wall_jiffies更新为当时的jiffies值。全局变量wall_jiffies定义在kernel/timer.c文件中：

/* jiffies at the most recent update of wall time */

unsigned long wall_jiffies;

③全局变量sys_tz：它是一个timezone结构类型的全局变量，表示系统当前的时区信息。结构类型timezone定义在include/linux/time.h头文件中，如下所示：

struct timezone {

int tz_minuteswest; /* minutes west of Greenwich */

int tz_dsttime; /* type of dst correction */

};

基于上述结构，Linux在kernel/time.c文件中定义了全局变量sys_tz表示系统当前所处的时区信息，如下所示：

struct timezone sys_tz;

2.获知当前时间 http://www.deansys.com/doc/ldd3/ch07s02.html

内核代码能一直获取一个当前时间的表示, 通过查看 jifies 的值. 常常地, 这个值只代表从最后一次启动以来的时间, 这个事实对驱动来说无关, 因为它的生命周期受限于系统的 uptime. 如所示, 驱动可以使用 jiffies 的当前值来计算事件之间的时间间隔(例如, 在输入驱动中从单击中区分双击或者计算超时). 简单地讲, 查看 jiffies 几乎一直是足够的, 当你需要测量时间间隔. 如果你需要对短时间流失的非常精确的测量, 处理器特定的寄存器来帮忙了( 尽管它们带来严重的移植性问题 ).

它是非常不可能一个驱动会需要知道墙上时钟时间, 以月, 天, 和小时来表达的; 这个信息常常只对用户程序需要, 例如 cron 和 syslogd. 处理真实世界的时间常常最好留给用户空间, 那里的 C 库提供了更好的支持; 另外, 这样的代码常常太策略相关以至于不属于内核. 有一个内核函数转变一个墙上时钟时间到一个 jiffies 值, 但是:

#include <linux/time.h> unsigned long mktime (unsigned int year, unsigned int mon, unsigned int day, unsigned int hour, unsigned int min, unsigned int sec); 

重复:直接在驱动中处理墙上时钟时间往往是一个在实现策略的信号, 并且应当因此而被置疑.

虽然你不会一定处理人可读的时间表示, 有时你需要甚至在内核空间中处理绝对时间. 为此, <linux/time.h> 输出了 do_gettimeofday 函数. 当被调用时, 它填充一个 struct timeval 指针 -- 和在 gettimeofday 系统调用中使用的相同 -- 使用类似的秒和毫秒值. do_gettimeofday 的原型是:

 #include <linux/time.h> void do_gettimeofday(struct timeval *tv);

这段源代码声明 do_gettimeofday 有" 接近毫秒的精度", 因为它询问时间硬件当前 jiffy 多大比例已经流失. 这个精度每个体系都不同, 但是, 因为它依赖实际使用中的硬件机制. 例如, 一些 m68knommu 处理器, Sun3 系统, 和其他 m68k 系统不能提供大于 jiffy 的精度. Pentium 系统, 另一方面, 提供了非常快速和精确的小于嘀哒的测量, 通过读取本章前面描述的时戳计数器.

当前时间也可用( 尽管使用 jiffy 的粒度 )来自 xtime 变量, 一个 struct timespec 值. 不鼓励这个变量的直接使用, 因为难以原子地同时存取这 2 个字段. 因此, 内核提供了实用函数 current_kernel_time:

#include <linux/time.h>struct timespec current_kernel_time(void);

用来以各种方式获取当前时间的代码, 可以从由 O' Reilly 提供的 FTP 网站上的源码文件的 jit ("just in time") 模块获得. jit 创建了一个文件称为 /proc/currentime, 当读取时, 它以 ASCII 码返回下列项:

• 当前的 jiffies 和 jiffies_64 值, 以 16 进制数的形式.

• 如同 do_gettimeofday 返回的相同的当前时间.

• 由 current_kernel_time 返回的 timespec.

我们选择使用一个动态的 /proc 文件来保持样板代码为最小 -- 它不值得创建一整个设备只是返回一点儿文本信息.

这个文件连续返回文本行只要这个模块加载着; 每次 read 系统调用收集和返回一套数据, 为更好阅读而组织为 2 行. 无论何时你在少于一个时钟嘀哒内读多个数据集, 你将看到 do_gettimeofday 之间的差别, 它询问硬件, 并且其他值仅在时钟嘀哒时被更新.

phon% head -8 /proc/currentime0x00bdbc1f 0x0000000100bdbc1f 1062370899.630126 1062370899.6291614880x00bdbc1f 0x0000000100bdbc1f 1062370899.630150 1062370899.6291614880x00bdbc20 0x0000000100bdbc20 1062370899.630208 1062370899.6301613360x00bdbc20 0x0000000100bdbc20 1062370899.630233 1062370899.630161336

在上面的屏幕快照中, 由 2 件有趣的事情要注意. 首先, 这个 current_kernel_time 值, 尽管以纳秒来表示, 只有时钟嘀哒的粒度; do_gettimeofday 持续报告一个稍晚的时间但是不晚于下一个时钟嘀哒. 第二, 这个 64-位的 jiffies 计数器有 高 32-位字集合的最低有效位. 这是由于 INITIAL_JIFFIES 的缺省值, 在启动时间用来初始化计数器, 在启动时间后几分钟内强加一个低字溢出来帮助探测与这个刚好溢出相关的问题. 这个在计数器中的初始化偏好没有效果, 因为 jiffies 与墙上时钟时间无关. 在 /proc/uptime 中, 这里内核从计数器中抽取 uptime, 初始化偏好在转换前被去除.

 

3.容易混淆LINUX时钟的xtime和jiffies http://linux.chinaitlab.com/administer/757250.html

 

LINUX的时钟中断中涉及至二个全局变量一个是xtime,它是timeval数据结构变量，另一个则是jiffies，首先看timeval结构

struct timeval
{
time_t tv_sec; /***second***/
susecond_t tv_usec;/***microsecond***/
}

这个地方一直有很多人容易混淆，到底microsecond是毫秒还是微秒，我也经常犯这个错误，也被搞的糊涂了很久，我们理清一下吧，1秒＝1000毫秒（3个零），1秒＝1000 000微秒（6个零），1秒＝1000 000 000纳秒（9个零），1秒＝1000 000 000 000皮秒（12个零）。秒用s表现，毫秒用ms,微秒用μs表示，纳秒用ns表示，皮秒用ps表示，他们的分级单位是千，即每次3个零。混淆的原因找到了，由于毫秒用ms表示，所以我老是以为microsecond是毫秒，所以就把tv_usec理解错了。microsecond查词霸也是微秒的意思，看来单位的表示迷惑了我，也迷惑了大多数人，请朋友们牢记这里，非常重要。

那么xtime是从cmos电路中取得的时间，一般是从某一历史时刻开始到现在的时间，也就是为了取得我们操作系统上显示的日期。这个就是所谓的“实时时钟”，它的精确度是微秒。

jiffies是记录着从电脑开机到现在总共的时钟中断次数。在linux内核中jiffies远比xtime重要，那么他取决于系统的频率，单位是Hz，这里不得不说一下频率的单位，1MHz＝1000，000Hz（6个零）， 1KHz=1000Hz（3个零）.频率是周期的倒数，一般是一秒钟中断产生的次数，所以，假如我们需要知道系统的精确的时间单位时，需要换算了，假如我们系统的频率是200Mhz,那么一次中断的间隔是1秒/200,000，000Hz=0.000 000 005秒看一下上面我们的时间单位，对照一下小数点后面是9个零，所以理论上我们系统的精确度是5纳秒。LINUX系统时钟频率是一个常数HZ来决定的，通常HZ＝100，那么他的精度度就是10ms（毫秒）。也就是说每10ms一次中断。所以一般来说Linux的精确度是10毫秒。