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      Linux培訓
      達內IT學院

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      linux世界里的時間

      • 發布:Linux培訓
      • 來源:網絡
      • 時間:2017-03-07 10:43

      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;

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