linux 时钟中断 哪个定时器

一． Linux的硬件时间

PC机中的时间有三种硬件时钟实现，这三种都是基于晶振产生的方波信号输入。这三种时钟为：（1）实时时钟RTC ( Real Time Clock) （2）可编程间隔器PIT(Programmable Interval Timer )（3）时间戳计数器TSC(Time Stamp Clock)

1. 实时时钟 RTC

用于长时间存放系统时间的设备，即时关机后也可依靠主板CMOS电池继续保持系统的计时，原理图如下：

Note: Linux与RTC的关系是,当Linux启动时从RTC读取时间和日期的基准值，然后在Kernel运行期间便抛开RTC，以软件的形式维护系统的时间日期，并在适当时机由Kernel将时间写回RTC Register.

1.1 RTC Register

(1). 时钟与日历Register

共10个，地址：0x00-0x09,分别用于保存时间日历的具体信息，详情如下：

00 Current Second for RTC

01 Alarm Second

02 Current Minute

03 Alarm Minute

04 Current Hour

05 Alarm Hour

06 Current Day of Week(1=Sunday)

07 Current Date of Month

08 Current Month

09 Current Year

(2).状态和控制Register

共四个，地址：0x0a-0x0d,控制RTC芯片的工作方式，并表示当前状态。

l 状态RegisterA , 0x0A 格式如下：

bit［7］——UIP标志（Update in Progress），为1表示RTC正在更新日历寄存器组中的值，此时日历寄存器组是不可访问的（此时访问它们将得到一个无意义的渐变值）。

bit［6：4］——这三位是用来定义RTC的 *** 作频率。各种可能的值如下：

DV2 DV1 DV0

00 04.194304 MHZ

00 11.048576 MHZ

01 032.769 KHZ

11 0/1 任何

PC机通常设置成“010”。

bit［3：0］——速率选择位（Rate Selection bits），用于周期性或方波信号输出。

RS3 RS2 RS1 RS0 周期性中断 方波 周期性中断 方波

0 0 0 0None None None None

0 0 0 1 30.517μs 32.768 KHZ 3.90625ms 256 HZ

0 0 1 0 61.035μs 16.384 KHZ

0 0 1 1 122.070μs 8.192KHZ

0 1 0 0244.141μs 4.096KHZ

0 1 0 1488.281μs 2.048KHZ

0 1 1 0976.562μs 1.024KHZ

0 1 1 11.953125ms512HZ

1 0 0 03.90625ms 256HZ

1 0 0 17.8125ms 128HZ

1 0 1 015.625ms 64HZ

1 0 1 131.25ms 32HZ

1 1 0 062.5ms16HZ

1 1 0 1125ms 8HZ

1 1 1 0250ms 4HZ

1 1 1 1500ms 2HZ

PC机BIOS对其默认的设置值是“0110”

l 状态Register B , 0x0B 格式如下：

bit［7］——SET标志。为1表示RTC的所有更新过程都将终止，用户程序随后马上对日历寄存器组中的值进行初始化设置。为0表示将允许更新过程继续。

bit［6］——PIE标志，周期性中断enable标志。

bit［5］——AIE标志，告警中断enable标志。

bit［4］——UIE标志，更新结束中断enable标志。

bit［3］——SQWE标志，方波信号enable标志。

bit［2］——DM标志，用来控制日历寄存器组的数据模式，0＝BCD，1＝BINARY。BIOS总是将它设置为0。

bit［1］——24／12标志，用来控制hour寄存器，0表示12小时制，1表示24小时制。PC机BIOS总是将它设置为1。

bit［0］——DSE标志。BIOS总是将它设置为0。

l 状态Register C，0x0C 格式如下：

bit［7］——IRQF标志，中断请求标志，当该位为1时，说明寄存器B中断请求 发生。

bit［6］——PF标志，周期性中断标志，为1表示发生周期性中断请求。

bit［5］——AF标志，告警中断标志，为1表示发生告警中断请求。

bit［4］——UF标志，更新结束中断标志，为1表示发生更新结束中断请求。

l 状态Register D，0x0D 格式如下：

bit［7］——VRT标志（Valid RAM and Time），为1表示OK，为0表示RTC 已经掉电。

bit［6：0］——总是为0，未定义。

2.可编程间隔定时器 PIT

每个PC机中都有一个PIT，以通过IRQ0产生周期性的时钟中断信号,作为系统定时器 system timer。当前使用最普遍的是Intel 8254 PIT芯片，它的I/O端口地址是0x40~0x43。

Intel 8254 PIT有3个计时通道，每个通道都有其不同的用途：

（1） 通道0用来负责更新系统时钟。每当一个时钟滴答过去时，它就会通过IRQ0向 系统 产生一次时钟中断。

（2） 通道1通常用于控制DMAC对RAM的刷新。

（3） 通道2被连接到PC机的扬声器，以产生方波信号。

每 个通道都有一个向下减小的计数器，8254 PIT的输入时钟信号的频率是1.193181MHZ，也即一秒钟输入1193181个clock-cycle。每输入一个clock-cycle其时间 通道的计数器就向下减1，一直减到0值。因此对于通道0而言，当他的计数器减到0时，PIT就向系统产生一次时钟中断，表示一个时钟滴答已经过去了。计数 器为16bit,因此所能表示的最大值是65536，一秒内发生的滴答数是：1193181/65536=18.206482.

PIT的I/O端口：

0x40 通道0 计数器 Read/Write

0X41 通道1计数器 Read/Write

0X42 通道2计数器 Read/Write

0X43 控制字Write Only

Note: 因PIT I/O端口是8位，而PIT相应计数器是16位，因此必须对PIT计数器进行两次读写。

8254 PIT的控制寄存器（0X43）的格式如下：

bit[7:6] — 通道选择位：00 ，通道0；01，通道1；10，通道2；11，read-back command,仅8254。

bit[5:4] – Read/Write/Latch锁定位，00,锁定当前计数器以便读取计数值；01，只读高字节；10，只读低字节；11，先高后低。

bit[3:1] – 设定各通道的工作模式。

000 mode0 当通道处于count out 时产生中断信号,可用于系统定时

001 mode1 Hardware retriggerable one-shot

010 mode2 Rate Generator。产生实时时钟中断,通道0通常工作在这个模式下

011 mode3方波信号发生器

100 mode4Software triggered strobe

101 mode5Hardware triggered strobe

3. 时间戳计数器 TSC

从Pentium开始，所有的Intel 80x86 CPU就都包含一个64位的时间戳记数器（TSC）的寄存器。该寄存器实际上是一个不断增加的计数器，它在CPU的每个时钟信号到来时加1（也即每一个clock-cycle输入CPU时，该计数器的值就加1）。

汇编指令rdtsc可以用于读取TSC的值。利用CPU的TSC， *** 作系统通常可以得到更为精准的时间度量。假如clock-cycle的频率是400MHZ，那么TSC就将每2.5纳秒增加一次。

二． Linux时钟中断处理程序

1． 几个概念

（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 1193180kernel=2.4 &2.6

（2）时钟滴答（clock tick）：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）：1秒时间内PIT所产生的时钟滴答次数。 这个值也由PIT通道0的计数器初值决定的.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）：

#define HZ 100kernel=2.4

#define HZ CONFIG_HZ kernel=2.6

（4）宏LATCH：定义要写到PIT通道0的计数器中的值，它表示PIT将隔多少个时钟周期产生一次时钟中断。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）

定义在<include/linux/timex.h>

#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ)

(5)全局变量jiffies:用于记录系统自启动以来产生的滴答总数。启动时，kernel将该变量初始为0，每次时钟中断处理程序timer_interrupt()将该变量加1。因为一秒钟内增加的时钟中断次数等于Hz，所以jiffies一秒内增加的值也是Hz。由此可得系统运行时间是jiffies/Hz 秒。

jiffies定义于<linux/jiffies.h>中：

extern unsigned long volatile jiffies

Note:在kernel 2.4，jiffies是32位无符号数；kernel 2.6，jiffies是64位无符号数。

（6）全局变量xtime: 结构类型变量，用于表示当前时间距UNIX基准时间1970-01-01 00：00：00的相对秒数值。当系统启动时，Kernel通过读取RTC Register中的数据来初始化系统时间（wall_time）,该时间存放在xtime中。

void __init time_init (void) {

... ...

xtime.tv_sec = get_cmos_time ()

xtime.tv_usec = 0

... ... }

Note：实时时钟RTC的最主要作用便是在系统启动时用来初始化xtime变量。

2.Linux的时钟中断处理程序

Linux下时钟中断处理由time_interrupt() 函数实现，主要完成以下任务：

l 获得xtime_lock锁，以便对访问的jiffies_64 (kernel2.6)和 xtime进行保护

l 需要时应答或重新设置系统时钟。

l 周期性的使用系统时间（wall_time）更新实时时钟RTC

l 调用体系结构无关的时钟例程：do_timer()。

do_timer()主要完成以下任务：

l 更新jiffies；

l 更新系统时间（wall_time）,该时间存放在xtime变量中

l 执行已经到期的动态定时器

l 计算平均负载值

void do_timer(unsigned long ticks)

{

jiffies_64 += ticks

update_process_times(user_mode(regs))

update_times (ticks)

}

static inline void update_times(unsigned long ticks)

{

update_wall_time ()

calc_load (ticks)

}

time_interrupt ()：

static void timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) {

int count

write_lock (&xtime_lock)//获得xtime_lock锁

if(use_cyclone)

mark_timeoffset_cyclone()

else if (use_tsc) {

rdtscl(last_tsc_low)//读TSC register到last_tsc_low

spin_lock (&i8253_lock)//对自旋锁i8253_lock加锁，对8254PIT访问

outb_p (0x00, 0x43)

count = inb_p(0x40)

count |= inb(0x40) <<8

if (count >LATCH) {

printk (KERN_WARNING "i8253 count too high! resetting../n")

outb_p (0x34, 0x43)

outb_p (LATCH &0xff, 0x40)

outb(LATCH >>8, 0x40)

count = LATCH - 1

}

spin_unlock (&i8253_lock)

if (count = = LATCH) {

count- -

}

count = ((LATCH-1) - count) * TICK_SIZE

delay_at_last_interrupt = (count + LATCH/2) / LATCH

} //end use_tsc

do_timer_interrupt (irq, NULL, regs)

write_unlock(&xtime_lock)

}//end time_interrupt

do_timer_interrupt():

static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

{

……

do_timer(regs)

if((time_status &STA_UNSYNC)= =0&&xtime.tv_sec>last_rtc_update + 660 &&xtime.tv_usec >= 500000 - ((unsigned) tick) / 2 &&xtime.tv_usec <= 500000 + ((unsigned) tick) / 2) {

if (set_rtc_mmss(xtime.tv_sec) == 0)

last_rtc_update = xtime.tv_sec

else

last_rtc_update = xtime.tv_sec - 600

……

}

do_timer_interrupt()主要完成：调用do_timer()和判断是否需要更新CMOS时钟。更新CMOS时钟的条件如下：三个须同时成立

1.系统全局时间状态变量time_status中没有设置STA_UNSYNC标志，即Linux没有设置外部同步时钟（如NTP）

2.自从上次CMOS时钟更新已经过去11分钟。全局变量last_rtc_update保存上次更新CMOS时钟的时间.

3.由于RTC存在Update Cycle，因此应在一秒钟间隔的中间500ms左右调用set_rtc_mmss()函数，将当前时间xtime.tv_sec写回RTC中。

Note. Linux kernel 中定义了一个类似jiffies的变量wall_jiffies，用于记录kernel上一次更新xtime时，jiffies的值。

Summary： Linux kernel在启动时，通过读取RTC里的时间日期初始化xtime，此后由kernel通过初始PIT来提供软时钟。

时钟中断处理过程可归纳为：系统时钟system timer在IRQ0上产生中断；kernel调用time_interrupt()；time_interrupt()判断系统是否使用TSC，若使用 则读取TSC register然后读取PIT 通道0的计数值；调用do_time_interrupt(),实现系统时间更新.

首先，方波专业的说法叫做非正弦周期波。表示的是正弦波和无限波的总和。在同一个时间之内，它在固定的最小值和最大值之间以规则频率交替显示振幅。方波发生器通常用于电子设备以及信号的处理，而方波是矩形波的特例。方波发生器就像施密特触发器电路、比较器的参考电压取决于输出电压。它也被称为不稳定的多谐振荡器。

方波发生器原理就是利用频率的不同产生不同的信号。比如方波发生器用来产生频率为20Hz～200kHz的正弦信号(低频)。除具有电压输出外，有的还有功率输出。所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通信频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。

另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。低频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器(输出变压器)和指示电压表。方波发生器工作原理与功能最简单的流程为：主程序扫描键盘，将设置信息输入，处理后，输出到LED显示器显示。

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