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xlanchen@2007.10.9 Linux OS Analysis Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512 xlanchen@ustc.edu.cn Autumn 2009 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 获得当前的时间和日期 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 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 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 实时时钟RTC 基本上所有的PC都包含实时时钟 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 Linux本身只使用RTC获得时间和日期 对应的设备文件为/dev/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 时间戳计数器TSC 在80x86微处理器中，有一个CLK输入引线 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 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 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 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 Tick的长短 短 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） 在Linux中，下列宏决定时钟中断频率 在init_pit_timer ()中初始化时钟中断频率 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 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 计时体系结构中的关键数据结构和变量 系统时钟system timer 时钟中断发生源 Jiffies变量 计时时钟源 Xtime变量 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 时钟源 时钟源抽象 参见数据结构clocksource 是系统时钟源，定义了系统时钟源的接口 缺省时钟源 Jiffies时钟源（缺省时钟源） PIT时钟源 Xtime变量 存放当前时间和日期 时间纪元 1970年1月1日（UTC）午夜 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 X86中的时钟源及其初始化 时钟中断处理函数 do_timer update_process_times 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