linux世界里的时间

　　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;