linux世界里的時間

　　通常，操作系統可以使用三種方法來表示系統的當前時間與日期：

　　①最簡單的一種方法就是直接用一個64位的計數器來對時鐘滴答進行計數。

　　②第二種方法就是用一個32位計數器來對秒進行計數，同時還用一個32位的輔助計數器對時鐘滴答計數，之子累積到一秒為止。因為232超過136年，因此這種方法直至22世紀都可以讓系統工作得很好。

　　③第三種方法也是按時鐘滴答進行計數，但是是相對于系統啟動以來的滴答次數，而不是相對于相對于某個確定的外部時刻;當讀外部后備時鐘(如RTC)或用戶輸入實際時間時，根據當前的滴答次數計算系統當前時間。

　　UNIX類操作系統通常都采用第三種方法來維護系統的時間與日期。

　　1 基本概念

　　首先，有必要明確一些Linux內核時鐘驅動中的基本概念。

　　(1)時鐘周期(clock cycle)的頻率：8253/8254 PIT的本質就是對由晶體振蕩器產生的時鐘周期進行計數，晶體振蕩器在1秒時間內產生的時鐘脈沖個數就是時鐘周期的頻率。

　　Linux用宏CLOCK_TICK_RATE來表示8254 PIT的輸入時鐘脈沖的頻率(在PC機中這個值通常是1193180HZ)，該宏定義在include/asm-i386/timex.h頭文件中：

　　#define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* Underlying HZ */

　　(2)時鐘滴答(clock tick)：我們知道，當PIT通道0的計數器減到0值時，它就在IRQ0上產生一次時鐘中斷，也即一次時鐘滴答。PIT通道0的計數器的初始值決定了要過多少時鐘周期才產生一次時鐘中斷，因此也就決定了一次時鐘滴答的時間間隔長度。

　　(3)時鐘滴答的頻率(HZ)：也即1秒時間內PIT所產生的時鐘滴答次數。類似地，這個值也是由PIT通道0的計數器初值決定的(反過來說， 確定了時鐘滴答的頻率值后也就可以確定8254 PIT通道0的計數器初值)。Linux內核用宏HZ來表示時鐘滴答的頻率，而且在不同的平臺上HZ有不同的定義值。對于ALPHA和IA62平臺HZ的 值是1024，對于SPARC、MIPS、ARM和i386等平臺HZ的值都是100。該宏在i386平臺上的定義如下(include/asm- i386/param.h)：

　　#ifndef HZ

　　#define HZ 100

　　#endif

　　根據HZ的值，我們也可以知道一次時鐘滴答的具體時間間隔應該是(1000ms/HZ)=10ms。

　　(4)時鐘滴答的時間間隔：Linux用全局變量tick來表示時鐘滴答的時間間隔長度，該變量定義在kernel/timer.c文件中，如下：

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

　　tick變量的單位是微妙(μs)，由于在不同平臺上宏HZ的值會有所不同，因此方程式tick=1000000÷HZ的結果可能會是個小數， 因此將其進行四舍五入成一個整數，所以Linux將tick定義成(1000000+HZ/2)/HZ，其中被除數表達式中的HZ/2的作用就是用來將 tick值向上圓整成一個整型數。

　　另外，Linux還用宏TICK_SIZE來作為tick變量的引用別名(alias)，其定義如下(arch/i386/kernel/time.c)：

　　#define TICK_SIZE tick

　　(5)宏LATCH：Linux用宏LATCH來定義要寫到PIT通道0的計數器中的值，它表示PIT將沒隔多少個時鐘周期產生一次時鐘中斷。顯然LATCH應該由下列公式計算：

　　LATCH=(1秒之內的時鐘周期個數)÷(1秒之內的時鐘中斷次數)=(CLOCK_TICK_RATE)÷(HZ)

　　類似地，上述公式的結果可能會是個小數，應該對其進行四舍五入。所以，Linux將LATCH定義為(include/linux/timex.h)：

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

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

　　類似地，被除數表達式中的HZ/2也是用來將LATCH向上圓整成一個整數。

　　2 表示系統當前時間的內核數據結構

　　作為一種UNIX類操作系統，Linux內核顯然采用本節一開始所述的第三種方法來表示系統的當前時間。Linux內核在表示系統當前時間時用到了三個重要的數據結構：

　　①全局變量jiffies：這是一個32位的無符號整數，用來表示自內核上一次啟動以來的時鐘滴答次數。每發生一次時鐘滴答，內核的時鐘中斷處 理函數timer_interrupt()都要將該全局變量jiffies加1。該變量定義在kernel/timer.c源文件中，如下所示：

　　unsigned long volatile jiffies;

　　C語言限定符volatile表示jiffies是一個易該變的變量，因此編譯器將使對該變量的訪問從不通過CPU內部cache來進行。

　　②全局變量xtime：它是一個timeval結構類型的變量，用來表示當前時間距UNIX時間基準1970-01-01 00：00：00的相對秒數值。結構timeval是Linux內核表示時間的一種格式(Linux內核對時間的表示有多種格式，每種格式都有不同的時間 精度)，其時間精度是微秒。該結構是內核表示時間時最常用的一種格式，它定義在頭文件include/linux/time.h中，如下所示：

　　struct timeval {

　　time_t tv_sec; /* seconds */

　　suseconds_t tv_usec; /* microseconds */

　　};

　　其中，成員tv_sec表示當前時間距UNIX時間基準的秒數值，而成員tv_usec則表示一秒之內的微秒值，且1000000>tv_usec>=0。

　　Linux內核通過timeval結構類型的全局變量xtime來維持當前時間，該變量定義在kernel/timer.c文件中，如下所示：

　　/* The current time */

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

　　但是，全局變量xtime所維持的當前時間通常是供用戶來檢索和設置的，而其他內核模塊通常很少使用它(其他內核模塊用得最多的是 jiffies)，因此對xtime的更新并不是一項緊迫的任務，所以這一工作通常被延遲到時鐘中斷的底半部分(bottom half)中來進行。由于bottom half的執行時間帶有不確定性，因此為了記住內核上一次更新xtime是什么時候，Linux內核定義了一個類似于jiffies的全局變量 wall_jiffies，來保存內核上一次更新xtime時的jiffies值。時鐘中斷的底半部分每一次更新xtime的時侯都會將 wall_jiffies更新為當時的jiffies值。全局變量wall_jiffies定義在kernel/timer.c文件中：

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

　　unsigned long wall_jiffies;

　　③全局變量sys_tz：它是一個timezone結構類型的全局變量，表示系統當前的時區信息。結構類型timezone定義在include/linux/time.h頭文件中，如下所示：

　　struct timezone {

　　int tz_minuteswest; /* minutes west of Greenwich */

　　int tz_dsttime; /* type of dst correction */

　　};

　　基于上述結構，Linux在kernel/time.c文件中定義了全局變量sys_tz表示系統當前所處的時區信息，如下所示：

　　struct timezone sys_tz;