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1、千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org嵌入式Linux内核开发教程之深 入分析Linux内核源码进程调 度(1)1 Linux时间系统 1.1 时钟硬件 1.2 时钟运作机制 1.3 Linux时间基准 1.4 Linux的时间系统 2 时钟中断 2.1 时钟中断的产生 2.2.Linux实现时钟中断的全过程 和时钟中断相关的函数 系统调用返回函数千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org计算机最基本的时间单元是时钟周期，例如取指 令、执行指令
2、、存取内存等。时间系统是计算机系 统非常重要的组成部分，特别是对于Unix类分时系 统尤为重要。时间系统主要任务是维持系统时间并 且防止某个进程独占CPU及其他资源，也就是驱动 进程的调度。嵌入式Linux内核开发教程之1 Linux 时间系统千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org大部分PC机中有两个时钟源，他们分别叫做RTC和 OS（操作系统）时钟。RTC（Real Time Clock， 实时时钟）也叫做CMOS时钟，它是PC主机板上的 一块芯片，它靠电池供电，即使系统断电，也可以 维持日期和时间。由于它独立于操
3、作系统，所以也 被称为硬件时钟，它为整个计算机提供一个计时标 准，是最原始最底层的时钟数据。 Linux只用RTC来获得时间和日期；然而，通 过作用于/dev/rtc设备文件，也允许进程对RTC编 程。通过执行/sbin/clock系统程序，系统管理员 可以配置时钟。嵌入式Linux内核开发教程之1.1 时钟 硬件千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgOS时钟产生于PC主板上的定时/计数芯片，由操作 系统控制这个芯片的工作，OS时钟的基本单位就是 该芯片的计数周期。在开机时操作系统取得RTC中 的时间数据来初始化OS
4、时钟，然后通过计数芯片的 向下计数形成了OS时钟，它更应该被称为一个计数 器。OS时钟只在开机时才有效，而且完全由操作系 统控制，所以也被称为软时钟或系统时钟。下面我 们重点描述OS时钟的产生。 OS时钟输出脉冲信号，接到中断控制器上，产 生中断信号，触发后面要讲的时钟中断，由时钟中 断服务程序维持OS时钟的正常工作。嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgRTC和OS时钟之间的关系通常也被称作操作系统的时 钟运作机制。一般来说，RTC是OS时钟的时间基准， 操作系统通过读取RTC来初始化O
5、S时钟，此后二者保 持同步运行，共同维持着系统时间。保持同步运行是什 么意思呢？就是指操作系统运行过程中，每隔一个固定 时间会刷新或校正RTC中的信息。 图2 时钟运作机制 我们可以看到，RTC处于最底层，提供最原始的时 钟数据。OS时钟建立在RTC之上，初始化完成后将完 全由操作系统控制，和RTC脱离关系。操作系统通过 OS时钟提供给应用程序所有和时间有关的服务。嵌入式Linux内核开发教程之1.2 时钟 运作机制千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org以上我们了解了RTC（实时时钟、硬件时钟）和OS时 钟（系统时钟
6、、软时钟）。下面我们具体描述OS时 钟。OS时钟是由可编程定时/计数器产生的输出脉冲触 发中断而产生的。输出脉冲的周期叫做一个“时钟滴答” 。计算机中的时间是以时钟滴答为单位的，每一次时钟滴答，系统时间就会加1。操作系统根据当前时钟滴答 的数目就可以得到以秒或毫秒等为单位的其他时间格 式。 定义“时间基准”的目的是为了简化计算，这样计算 机中的时间只要表示为从这个时间基准开始的时钟滴答数就可以了。“时间基准是由操作系统的设计者规定 的。例如DOS的时间基准是1980年1月1日，Unix的时 间基准是1970年1月1日上午12点，Linux的时间基准 是1970年1月1日凌晨0点。嵌入式Linu
7、x内核开发教程之1.3 Linux时间基准千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgOS时钟记录的时间也就是通常所说的系统时间。系 统时间是以“时钟滴答”为单位的，而时钟中断的频 率决定了一个时钟滴答的长短，例如每秒有100次 时钟中断，那么一个时钟滴答的就是10毫秒（记为 10ms），相应地，系统时间就会每10ms增1。 Linux中用全局变量jiffies表示系统自启动以来 的时钟滴答数目。在/kernel/time.c中定义如下： unsigned long volatile jiffies嵌入式Linux内核开发
8、教程之1.4 Linux的时间系统千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org在jiffies基础上，Linux提供了如下适合人们习惯的 时间格式，在/include/linux/time.h中定义如下 ： struct timespec * 这是精度很 高的表示* long tv_sec; * 秒 （second） * long tv_nsec; /* 纳秒：十亿分之一秒 （ nanosecond）* ；嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mo
9、biletrain.org struct timeval * 普通精度 * int tv_sec; /* 秒 * int tv_usec; /* 微秒：百万分之一秒（ microsecond）* ; struct timezone /* 时区 * int tz_minuteswest; * 格林尼治时间 往西方的时差 * int tz_dsttime; /* 时间修正方式 * ;嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgtv_sec表示秒（second），tv_usec表示微秒（ micros
10、econd），tv_nsec表示纳秒（ nanosecond）。定义tb_usec和tv_nsec的目的是 为了适用不同的使用要求，不同的场合根据对时间 精度的要求选用这两种表示。另外，Linux还定义 了用于表示更加符合大众习惯的时间表示：年、 月、日。但是万变不离其宗，所有的时间应用都是 建立在jiffies基础之上的。简而言之，jiffies产生于 时钟中断！嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org.1 时钟中断的产生 “时钟中断”是特别重要的一个中断，因为整个 操作系统的活动都受到它
11、的激励。系统利用时钟中 断维持系统时间、促使环境的切换，以保证所有进 程共享CPU；利用时钟中断进行记帐、监督系统工 作以及确定未来的调度优先级等工作。可以说，“时 钟中断”是整个操作系统的脉搏。 时钟中断的物理产生如图3所示： 图3 8253和8259A的物理连接方式嵌入式Linux内核开发教程之2 时钟中 断千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org脉冲信号接到中断控制器8259A_1的0号管脚，触 发一个周期性的中断，我们就把这个中断叫做时钟 中断，时钟中断的周期，也就是脉冲信号的周期， 我们叫做“滴答”或“时标”
12、（tick）。从本质上说，时 钟中断只是一个周期性的信号，完全是硬件行为， 该信号触发CPU去执行一个中断服务程序，我们就 把这个服务程序叫做时钟中断。嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org 和时钟中断相关的函数下面我们看时钟中断触发的服务程序，该程序代码 比较复杂，分布在不同的源文件中，主要包括如下 函数： 时钟中断程序：timer_interrupt( )； 中断服务通用例程do_timer_interrupt(); 时钟函数：do_timer( )； 中断安装程序：setup_irq
13、( ); 中断返回函数：ret_from_intr( );嵌入式Linux内核开发教程之 2.2.Linux实现时钟中断的全过程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org 前三个函数的调用关系如下： timer_interrupt( ) do_timer_interrupt() do_timer( ) (1) timer_interrupt( ) 这个函数大约每10ms被调用一次，实际上， timer_interrupt( )函数是一个封装例程，它真正做 的事情并不多，该函数主要语句就是调用 do_timer_inter
14、rupt()函数。嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org (2) do_timer_interrupt() do_timer_interrupt()函数有两个主要任务， 一个是调用do_timer( )，另一个是维持实时时钟 (RTC，每隔一定时间段要回写)，其实现代码在 /arch/i386/kernel/time.c中， 为了突出主题， 笔者对以下函数作了改写，以便于读者理解： static inline void do_timer_interrupt(int irq， void *d
15、ev_id， struct pt_regs *regs) do_timer(regs); /* 调用时钟函数，将时钟函 数等同于时钟中断未尝不可*/嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org if(xtime.tv_sec last_rtc_update + 660) update_RTC(); /*每隔11分钟就更新RTC中的时间信息，以使OS时钟 和RTC时钟保持同步，11分钟即660秒，xtime.tv_sec的单 位是秒，last_rtc_update记录的是上次RTC更新时的值 */ 其中，xtime是前面所提到的timeval类型，这是一个全 局变量。 (3) 时钟函数do_timer() (在/kernel/sched.c中) void do_timer(struct pt_regs * regs) (*(unsigned long *) /*更新系统时间，这 种写法保证对jiffies操作的原子性*/嵌入式Linux内核开发教程千锋3G嵌入式移动
