一直以來(lái)對(duì)Linux下的時(shí)間管理知之不詳，GFree_wind在微博發(fā)起過(guò)幾次Linux下時(shí)鐘的討論，和Godbach這些大牛比，我完全插不上話，因?yàn)椴欢＝鼇?lái)閑暇時(shí)間研究了下Linux下的時(shí)間管理，分享出來(lái)，請(qǐng)大家指正。

從我們大白話的角度想，時(shí)間管理其實(shí)分成兩部分，就像我們小時(shí)候?qū)W習(xí)物理的時(shí)候物理老師不斷強(qiáng)調(diào)時(shí)間和時(shí)刻的區(qū)別。一個(gè)是時(shí)刻，比如現(xiàn)在是20：44：37秒，指的是時(shí)刻，我們手機(jī)上看時(shí)間，指的也是時(shí)刻。另一塊是時(shí)間，比如說(shuō)，我每天工作八小時(shí)，再比如說(shuō)，半小時(shí)之后，我要出門了，結(jié)束時(shí)間指向的是未來(lái)，但是仍然是一段時(shí)間。OK。無(wú)論是時(shí)刻還是時(shí)望間，都是需要硬件支持的，你手里只有一塊最小刻度只有1秒的手表，就不要指用這塊手表給百米大賽度量成績(jī)了，何哉，硬件太挫。Linux也是如此，之所以Linux啟動(dòng)之后，可以精確的計(jì)時(shí)，那是因?yàn)長(zhǎng)inux的下面有相應(yīng)的硬件為依托。  

RTC

RTC，real time clock，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和其他的硬件是不同的，RTC吐出來(lái)的是時(shí)刻，而其他硬件時(shí)鐘吐出來(lái)的是時(shí)間。也就是說(shuō)，RTC能告訴我們，當(dāng)前是2013年9月12日，21：49：38,但是其他的硬件如TSC，PIT，HPET只能告訴我們，我應(yīng)該走過(guò)了XX個(gè)cycle，按照我的頻率，已經(jīng)過(guò)去了10分鐘了。

為啥RTC這么牛X，可以告訴我們當(dāng)前時(shí)刻，哪怕用戶關(guān)了機(jī)？以X86為例，RTC是主板上的一塊CMOS芯片，哪怕你的Linux關(guān)了機(jī)，她也可以依賴主板上的電池維持時(shí)鐘的準(zhǔn)確。當(dāng)然了，在Linux下，RTC存儲(chǔ)的是UTC時(shí)間，而不會(huì)考慮timezone。

所以，Linux啟動(dòng)的時(shí)候，一定會(huì)拜訪RTC來(lái)獲得當(dāng)前的時(shí)刻值，盡管精度不高（精確到秒）。When and How？

首先回答When。Linux啟動(dòng)的時(shí)候，start_kernel有四大time相關(guān)的函數(shù)調(diào)用：

1. init_timers();
2. hrtimers_init();
3. timekeeping_init()
4. time_init();

從RTC中讀取當(dāng)前的UTC時(shí)間是timekeeping_init中做的事情，調(diào)用路徑如下：

/************arch/x86/kernel/rtc.c*****************/ 
void read_persistent_clock(struct timespec *ts) 
{ 
    unsigned long retval; 
  
    retval = x86_platform.get_wallclock(); 
  
    ts->tv_sec = retval; 
    ts->tv_nsec = 0; 
} 
  
/*****************arch/x86/kernel/x86_init.c ****************/ 
  
struct x86_platform_ops x86_platform = { 
    .calibrate_tsc = native_calibrate_tsc, 
    .wallclock_init = wallclock_init_noop, 
    .get_wallclock = mach_get_cmos_time, 
    .set_wallclock = mach_set_rtc_mmss, 
    .iommu_shutdown = iommu_shutdown_noop, 
    .is_untracked_pat_range = is_ISA_range, 
    .nmi_init = default_nmi_init, 
    .get_nmi_reason = default_get_nmi_reason, 
    .i8042_detect = default_i8042_detect, 
    .save_sched_clock_state = tsc_save_sched_clock_state, 
    .restore_sched_clock_state = tsc_restore_sched_clock_state, 
} 

對(duì)于我們而言，我們要讀的function是mach_get_cmos_time

unsigned long mach_get_cmos_time(void) 
{ 
    unsigned int status, year, mon, day, hour, min, sec, century = 0; 
    unsigned long flags; 
  
    spin_lock_irqsave(&rtc_lock, flags); 
  
    /* 
     * If UIP is clear, then we have >= 244 microseconds before 
     * RTC registers will be updated. Spec sheet says that this 
     * is the reliable way to read RTC - registers. If UIP is set 
     * then the register access might be invalid. 
     */ 
    while ((CMOS_READ(RTC_FREQ_SELECT) & RTC_UIP)) 
        cpu_relax(); 
  
    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); 
  
#ifdef CONFIG_ACPI 
    if (acpi_gbl_FADT.header.revision >= FADT2_REVISION_ID && 
     acpi_gbl_FADT.century) 
        century = CMOS_READ(acpi_gbl_FADT.century); 
#endif 
  
    status = CMOS_READ(RTC_CONTROL); 
    WARN_ON_ONCE(RTC_ALWAYS_BCD && (status & RTC_DM_BINARY)); 
  
    spin_unlock_irqrestore(&rtc_lock, flags); 
  
    if (RTC_ALWAYS_BCD || !(status & RTC_DM_BINARY)) { 
        sec = bcd2bin(sec); 
        min = bcd2bin(min); 
        hour = bcd2bin(hour); 
        day = bcd2bin(day); 
        mon = bcd2bin(mon); 
        year = bcd2bin(year); 
    } 
  
    if (century) { 
        century = bcd2bin(century); 
        year += century * 100; 
        printk(KERN_INFO "Extended CMOS year: %d\n", century * 100); 
    } else 
        year += CMOS_YEARS_OFFS; 
  
    return mktime(year, mon, day, hour, min, sec); 
} 

這一段代碼已經(jīng)牽扯到了硬件相關(guān)的編程，我們其實(shí)并不關(guān)心驅(qū)動(dòng)，對(duì)于硬件比較感興趣的筒子，可以訪問(wèn)http://xenyinzen.wikidot.com/reship:080225-2

獲得更多更詳細(xì)的信息。mktime是將年月日時(shí)分秒組裝成1970年1月1日00：00：00這個(gè)UNIX基準(zhǔn)時(shí)間以來(lái)的秒數(shù)。我們?cè)贚inux下可以通過(guò)一下方式獲得這個(gè)值：

root@manu:/sys/class/rtc/rtc0# date +%s ;cat /sys/class/rtc/rtc0/since_epoch  
1379081060 
1379081060 

既然Linux上電的時(shí)候，可以從RTC中讀出當(dāng)前的時(shí)間，我們也可以設(shè)置時(shí)間，并且寫入到RTC。用戶層也可以操作RTC硬件時(shí)鐘，通過(guò)ioctl。下面給出一個(gè)樣例： 

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <linux/rtc.h>  
#include <fcntl.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
  
int main(int argc,char *argv[]) 
{ 
    int retval,fd; 
    struct rtc_time rtc_tm; 
  
    fd=open("/dev/rtc",O_RDONLY);  
    if(fd==-1) 
    { 
        perror("error open /dev/rtc"); 
        return -1; 
    } 
  
    retval=ioctl(fd,RTC_RD_TIME,&rtc_tm); 
    if(retval==-1) 
    { 
        perror("error exec RTC_RD_TIME ioctl"); 
        return -2; 
    } 
    printf("RTC time is %d-%d-%d %d:%d:%d \n", 
           rtc_tm.tm_year+1900,rtc_tm.tm_mon,rtc_tm.tm_mday, 
           rtc_tm.tm_hour,rtc_tm.tm_min,rtc_tm.tm_sec); 
  
    close(fd); 
  
    return 0; 
} 

輸出如下：   

root@manu:~/code/c/self/rtc# ./rtc_test  
RTC time is 2013-8-14 15:46:2 

對(duì)于set RTC 也可以通過(guò)ioctl RTC_SET_TIME參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，我就不多說(shuō)了，對(duì)這部分感興趣的，可以自行man rtc，或者Kernel的Documentation/rtc.txt有一個(gè)示例代碼，比較詳細(xì)。

已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，RTC在時(shí)間相關(guān)的硬件中是個(gè)獨(dú)樹一幟的奇葩，作用和其他的硬件不同。而其他的硬件只是以一定的頻率產(chǎn)生時(shí)鐘中斷，幫助OS完成計(jì)時(shí)。前面我也提到過(guò)，你手里拿著個(gè)手表，就不要指望給百米大賽計(jì)時(shí)，原因就是精度太低。硬件也是如此，有精度高的有精度低的。Linux操作系統(tǒng)抽象出了clocksource（時(shí)鐘源）來(lái)管理這些硬件。Linux會(huì)在所有的硬件時(shí)鐘中選擇出精度最高作為當(dāng)前在用的時(shí)鐘源。

如何查看當(dāng)前所有的可用的時(shí)鐘源已經(jīng)當(dāng)前在用的時(shí)鐘源呢？ 

manu@manu:/$ cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource  
tsc hpet acpi_pm  
manu@manu:/$ cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource  
tsc 

我們分別介紹hpet，acpi_pm,tsc,不過(guò)在這之前，先介紹一個(gè)PIT

#p#

PIT

PIT全稱Programmable Interval Timer，是出現(xiàn)比較早的，比較菜的硬件。這種設(shè)備有8253/8254,對(duì)底層感興趣的可以讀drivers/clocksource/i8253.c，這種硬件的頻率是1MHZ左右：

#define PIT_TICK_RATE 1193182ul 

PIT為啥沒(méi)有落在available_clocksource中呢，因?yàn)楹笃鹬鉎PET的存在。Kernel中發(fā)現(xiàn)可以使用HPET，就不會(huì)用PIT作為始終源了。后面我們會(huì)分析到。

HPET

PIT 的精度較低，HPET 被設(shè)計(jì)來(lái)替代 PIT 提供高精度時(shí)鐘中斷（至少 10MHz）。它是由微軟和 Intel 聯(lián)合開發(fā)的。一個(gè) HPET 包括了一個(gè)固定頻率的數(shù)值增加的計(jì)數(shù)器以及 3 到 32 個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)器，這每一個(gè)計(jì)時(shí)器有包涵了一個(gè)比較器和一個(gè)寄存器（保存一個(gè)數(shù)值，表示觸發(fā)中斷的時(shí)機(jī)）。每一個(gè)比較器都比較計(jì)數(shù)器中的數(shù)值和寄存器的數(shù)值，相等就會(huì)產(chǎn)生中斷。

HPET這個(gè)時(shí)鐘源的檢測(cè)和注冊(cè)是在前文提到的四大初始化中的最后一個(gè)：time_init   

在這個(gè)時(shí)候我們看到，time_init主要是兩個(gè)部分，TSC是一個(gè)，HPET（PIT）是一個(gè)。

static struct irqaction irq0 = { 
    .handler = timer_interrupt, 
    .flags = IRQF_DISABLED | IRQF_NOBALANCING | IRQF_IRQPOLL | IRQF_TIMER, 
    .name = "timer" 
}; 
  
void __init setup_default_timer_irq(void) 
{ 
    setup_irq(0, &irq0); 
} 
  
/* Default timer init function */ 
void __init hpet_time_init(void) 
{ 
    if (!hpet_enable()) 
        setup_pit_timer(); 
    setup_default_timer_irq(); 
} 
  
static __init void x86_late_time_init(void) 
{ 
    x86_init.timers.timer_init();  
    tsc_init(); //TSC part 
} 
  
/* 
 * Initialize TSC and delay the periodic timer init to 
 * late x86_late_time_init() so ioremap works. 
 */ 
void __init time_init(void) 
{ 
    late_time_init = x86_late_time_init; 
} 

從上面加粗的部分可以看到，當(dāng)HPET可以enable的時(shí)候，我們就不用PIT作為時(shí)鐘源了，原因是HPET頻率高，精度高。

從我的筆記本Linux的dmesg可看到：

我的筆記本的HPET，頻率是14.318180MHz。

講到這里，就不得不講clocksource。Linux將真實(shí)的時(shí)鐘做了抽象，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)clocksource來(lái)管理這些硬件時(shí)鐘源。

/** 
 * struct clocksource - hardware abstraction for a free running counter 
 *    Provides mostly state-free accessors to the underlying hardware. 
 *    This is the structure used for system time. 
 * 
 * @name:        ptr to clocksource name 
 * @list:        list head for registration 
 * @rating:        rating value for selection (higher is better) 
 *            To avoid rating inflation the following 
 *            list should give you a guide as to how 
 *            to assign your clocksource a rating 
 *            1-99: Unfit for real use 
 *                Only available for bootup and testing purposes. 
 *            100-199: Base level usability. 
 *                Functional for real use, but not desired. 
 *            200-299: Good. 
 *                A correct and usable clocksource. 
 *            300-399: Desired. 
 *                A reasonably fast and accurate clocksource. 
 *            400-499: Perfect 
 *                The ideal clocksource. A must-use where 
 *                available. 
 * @read:        returns a cycle value, passes clocksource as argument 
 * @enable:        optional function to enable the clocksource 
 * @disable:        optional function to disable the clocksource 
 * @mask:        bitmask for two's complement 
 *            subtraction of non 64 bit counters 
 * @mult:        cycle to nanosecond multiplier 
 * @shift:        cycle to nanosecond pisor (power of two) 
 * @max_idle_ns:    max idle time permitted by the clocksource (nsecs) 
 * @maxadj:        maximum adjustment value to mult (~11%) 
 * @flags:        flags describing special properties 
 * @archdata:        arch-specific data 
 * @suspend:        suspend function for the clocksource, if necessary 
 * @resume:        resume function for the clocksource, if necessary 
 * @cycle_last:        most recent cycle counter value seen by ::read() 
 */ 
struct clocksource { 
    /* 
     * Hotpath data, fits in a single cache line when the 
     * clocksource itself is cacheline aligned. 
     */ 
    cycle_t (*read)(struct clocksource *cs); 
    cycle_t cycle_last; 
    cycle_t mask; 
    u32 mult; 
    u32 shift; 
    u64 max_idle_ns; 
    u32 maxadj; 
#ifdef CONFIG_ARCH_CLOCKSOURCE_DATA 
    struct arch_clocksource_data archdata; 
#endif 
  
    const char *name; 
    struct list_head list; 
    int rating; 
    int (*enable)(struct clocksource *cs); 
    void (*disable)(struct clocksource *cs); 
    unsigned long flags; 
    void (*suspend)(struct clocksource *cs); 
    void (*resume)(struct clocksource *cs); 
  
    /* private: */ 
#ifdef CONFIG_CLOCKSOURCE_WATCHDOG 
    /* Watchdog related data, used by the framework */ 
    struct list_head wd_list; 
    cycle_t cs_last; 
    cycle_t wd_last; 
#endif 
} ____cacheline_aligned;     

很重要的一個(gè)參數(shù)是rating時(shí)鐘源分優(yōu)劣，精度越高的時(shí)鐘源的，rating值越大。從注釋中我們可以看到：

• 1--99： 不適合于用作實(shí)際的時(shí)鐘源，只用于啟動(dòng)過(guò)程或用于測(cè)試；
• 100--199：基本可用，可用作真實(shí)的時(shí)鐘源，但不推薦；
• 200--299：精度較好，可用作真實(shí)的時(shí)鐘源；
• 300--399：很好，精確的時(shí)鐘源；
• 400--499：理想的時(shí)鐘源，如有可能就必須選擇它作為時(shí)鐘源；

static struct clocksource clocksource_hpet = { 
    .name = "hpet", 
    .rating = 250, 
    .read = read_hpet, 
    .mask = HPET_MASK, 
    .flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS, 
    .resume = hpet_resume_counter, 
#ifdef CONFIG_X86_64 
    .archdata = { .vclock_mode = VCLOCK_HPET }, 
#endif 
}; 

從rating上HPET的rating是250,已經(jīng)很不錯(cuò)了，為什么最終選擇了TSC，available_clocksource中的acpi_pm又是什么？    

#p#

ACPI_PM

這個(gè)是傳說(shuō)中的ACPI Power Management Time，這個(gè)其實(shí)我也知之不詳，對(duì)這個(gè)感興趣的可以去找下CU的彭東，這小子寫OS，應(yīng)該會(huì)經(jīng)常和這種硬件糾纏不清。到了硬件驅(qū)動(dòng)層，我水平基本溫飽線以下。

#define PMTMR_TICKS_PER_SEC 3579545 
  
 66 static struct clocksource clocksource_acpi_pm = { 
          .name = "acpi_pm", 
          .rating = 200, 
          .read = acpi_pm_read, 
          .mask = (cycle_t)ACPI_PM_MASK, 
          .mult = 0, /*to be calculated*/ 
          .shift = 22, 
          .flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS, 
  
 }; 
fs_initcall(init_acpi_pm_clocksource) 

我們看到了頻率在3Mhz這個(gè)級(jí)別，rating是200,低于HPET。至于初始化在fs_initcall這一步做。

TSC

TSC是Time Stamp Counter。CPU 執(zhí)行指令需要一個(gè)外部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，從 CLK 管腳輸入。x86 提供了一個(gè) TSC 寄存器，該寄存器的值在每次收到一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)時(shí)加一。比如 CPU 的主頻為 1GHZ，則每一秒時(shí)間內(nèi)，TSC 寄存器的值將增加 1G 次，或者說(shuō)每一個(gè)納秒加一次。x86 還提供了 rtdsc 指令來(lái)讀取該值，因此 TSC 也可以作為時(shí)鐘設(shè)備。TSC 提供了比 RTC 更高精度的時(shí)間，即納秒級(jí)的時(shí)間精度。這個(gè)很牛X，看時(shí)鐘頻率是和CPU的頻率一個(gè)水平線的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)HPET，PIT這些小魚小蝦米。看下我的筆記本的TSC 頻率：

manu@manu:~/code/c/classical/linux-3.4.61$ dmesg |grep Detected 
[ 0.004000] Detected 2127.727 MHz processor. 
  
manu@manu:~$ cat /proc/cpuinfo  
processor   : 0 
vendor_id   : GenuineIntel 
cpu family  : 6 
model    : 37 
model name  : Intel(R) Core(TM) i3 CPU       M 330  @ 2.13GHz 
  
。。。。。 

看這時(shí)鐘頻率，相當(dāng)?shù)膰樔耍聪耤locksource的rating：

static struct clocksource clocksource_tsc = { 
    .name = "tsc", 
    .rating = 300, 
    .read = read_tsc, 
    .resume = resume_tsc, 
    .mask = CLOCKSOURCE_MASK(64), 
    .flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS | 
                  CLOCK_SOURCE_MUST_VERIFY, 
#ifdef CONFIG_X86_64 
    .archdata = { .vclock_mode = VCLOCK_TSC }, 
#endif 
}; 

TSC的init和register分別在tsc_init和init_tsc_clocksource中進(jìn)行

static int __init init_tsc_clocksource(void) 
{ 
    if (!cpu_has_tsc || tsc_disabled > 0 || !tsc_khz) 
        return 0; 
 
    if (tsc_clocksource_reliable) 
        clocksource_tsc.flags &= ~CLOCK_SOURCE_MUST_VERIFY; 
    /* lower the rating if we already know its unstable: */ 
    if (check_tsc_unstable()) { 
        clocksource_tsc.rating = 0; 
        clocksource_tsc.flags &= ~CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS; 
    } 
  
    /* 
     * Trust the results of the earlier calibration on systems 
     * exporting a reliable TSC. 
     */ 
    if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_TSC_RELIABLE)) { 
        clocksource_register_khz(&clocksource_tsc, tsc_khz); 
        return 0; 
    } 
  
    schedule_delayed_work(&tsc_irqwork, 0); 
    return 0; 
} 
/* 
 * We use device_initcall here, to ensure we run after the hpet 
 * is fully initialized, which may occur at fs_initcall time. 
 */ 
device_initcall(init_tsc_clocksource); 

所以，clocksource 的PK之戰(zhàn)中，TSC技?jí)喝盒郏瓯琀PET/PIT/ACPI_PM,成為current_clocksource。clocksource之戰(zhàn)如何進(jìn)行，如何選擇當(dāng)前時(shí)鐘源，新的時(shí)鐘源注冊(cè)會(huì)帶來(lái)什么影響。Linux如何根據(jù)時(shí)鐘源完成計(jì)時(shí)，這個(gè)就在下一篇clocksource中介紹。