Linux系統中的計時機制及相關時間函數

1. 時間相關硬體

電腦系統中的時間主要由三種時鐘硬體提供的:系統時鐘（Real Time
Clock，RTC）,可程式化間隔定時器（Programmable Interval Timer，PIT),時間戳記計數器（Time Stamp
Counter，TSC）。這些時鐘硬體都是基於固定頻率的晶振來提供時鐘方波訊號輸入。

一般說來，Linux核心主要需要兩種類型的時間：

一類是單步遞增性時鐘，不發送中斷，需要軟體主動去讀取其COUNTER寄存器來獲得時間的。TSC即屬於這一類。

另一種維持一個固定周期的定時器，以提醒核心或使用者一段時間已經過去了。通過周期性發送中斷達到記時目的。PIT屬於這一類。

RTC 通過主板上的電池來供電,在關機時維持日期和時間。RTC為整個電腦提供了一個計時標準，是底層的時鐘資料，也被稱為硬體時鐘CMOS時鐘。

PIT 定時/計數器所採用的最典型的晶片是Intel
8253/8254可程式化定時/計數晶片。定時/計數器從RTC接收輸入脈衝，然後開始遞減計數，當計數到零時，產生一個輸出脈衝，引發即時中斷處理程
序，然後定時/計數器複位又開始從頭計數。在開機時，作業系統通過擷取RTC中的時間資料來初始化系統時鐘，然後通過定時/計數晶片的向下計數引發時鐘中
斷，形成系統時鐘(clock tick)，頻率大致在100-1000Hz之間。

TSC 是一個不斷增加的計數器，它在CPU的每個時鐘訊號到來時加1。也就是以處理器頻率加1。即在主流處理器上更新頻率可達到上GHz。

2. 時間相關資料結構

Linux有兩個重要的資料結構，一個是32位的不帶正負號的整數全域變數jiffies,
每次時鐘中斷時加1（一般相隔1ms-10ms），linux運行時就是以這個時間來記錄的，如進程時間片更新，執行定時服務等,可以視為Linux運行
的心跳。另一個是全域變數xtime，是timeval結構的變數。用來表示目前時間距UNIX時間基準1970－01－01
00：00：00的相對秒數值。其時間精度是納秒(先前的版本為微秒)。因為xtime主要供查詢使用，所以xtime的更新被放到
timer_interrupt()的後半段執行，和jiffies不同，不是每次時鐘中斷時都執行。因此看起來會比jiffies慢，兩者不同步

3. 時間相關係統調用

擷取時間的系統調用主要有兩個time()和gettimeofday()

time()即簡單的把xtime中的tv_sec返回到使用者空間。單位為秒。

gettimeofday()用來擷取精度為us的目前時間資訊和時區資訊。首先用當前的
jiffies減去上次更新xtime時的
jiffies，得到一個修正值即上次修正xtime到目前的差值，但是這個值是ms級精度的。要獲得us精度，需要用當前TSC值減去上次時鐘中斷髮生
時的TSC，用這兩個值更新xtime,並將這個值返回到使用者空間。在2.6.20中主要的調用路徑如下：

sys_gettimeofday()->

do_gettimeofday()->

offset = time_interpolator_get_offset(); ->  

time_interpolator_get_counter(); ->

time_interpolator_get_cycles(); ->

get_cycles(); ->

rdtscll(); ->

get_scheduled_cycles(); ->

native_read_tsc(); ->

asm volatile("rdtsc" : "=A" (val)); //讀取TSC的值

4. 擷取精度更高的時間

在Linux中xtime的精度為ns,並且有getnstimeofday(),當並沒有作為系統調用提供。要在使用者空間獲得ns級的時間使用者可以自己實現。可以參考sys_gettimeofday 和 getnstimeofday():

sys_gettimeofday(struct timeval __user *tv){

offset = time_interpolator_get_offset();

sec = xtime.tv_sec;

nsec = xtime.tv_nsec;

usec = (nsec + offset) / 1000;

ktv->tv_sec = sec;

ktv->tv_usec = usec;

copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv));

}

getnstimeofday (struct timespec *tv)

{

sec = xtime.tv_sec;

nsec = xtime.tv_nsec+time_interpolator_get_offset();

tv->tv_sec = sec;

tv->tv_nsec = nsec;

}

5. 時鐘同步

在單處理系統中，因為系統時間(由時鐘中斷更新)和TSC(由處理器CLK訊號更新)都是由硬體負責運轉，獨立運行，所以可能出現不同步的問題(比如Linux時鐘中斷屏蔽時，jiffies不會更新)。Linux會在合適的時間使用TSC對系統時鐘進行校正。

在多處理系統中，因為有多個處理器，時鐘中斷是在處理器中廣播的，而由其中一個處理器進行時鐘中斷處理。但是TSC是每個處理器獨自擁有的，需要在各個TSC間進行同步。

在虛擬系統中(如VMware,Xen), 時鐘中斷由軟體類比產生，而TSC也不能直接從硬體上讀取，需要虛擬軟體利用處理器提供的能力，在 TSC真實的值上進行進一步的處理。