Linux时间系统的设计与实现.doc

尹能 linux时间系统的设计与实现 第18页 共18页 Linux时间系统的设计与实现学生姓名：xxx 指导老师：XXX摘 要时间系统是操作系统的重要组成部分 ,无论是在分时操作系统还是在实时操作系统中 ,时间系统都起着极为重要的作用。时间系统的主要功能是负责维护系统时间、计算 CPU的使用情况、为分时调度提供计时、提供定时器。概述了时间系统的主要功能 ,对 Linux时间系统的硬件基础进行介绍 ,介绍了 Linux操作系统中用来表示时间的数据结构。结合对源代码的分析 ,具体描述了 Linux独特的时钟中断处理过程和时间系统各功能的实现。最后 ,介绍了实时操作系统的特征 ,并针对如何改造时间系统 ,提高 Linux核心的实时处理能力提出了解决方案。关键词linux时间系统;linux-2.4.3.0源码;Red hat Enterprise linux 51引 言1.1 课题背景及意义首先, 是经济问题。中国是个人口大国,将来更要成为网络大国,如果每个人都用正版windows 那将是一笔不小的开销.linux就不存在这个问题。 当然, 更不可能每个人都用苹果的macos。其次,linux 是一个具有优良血统的系统, 它具有unix的特点,又具有极好的易用性,安全性,强大的网络服务功能。综合来说,linux具有良好的发展前景.中国对于推广linux 具有非常的价值。 1.2 课程设计目的（1）学会使用vi编辑器编辑C语言程序（2）学会Linux环境下gcc的使用（3）学会调试工具GDB的使用（4）学习重新编译Linux内核，理解、掌握Linux内核版本和Linux发行版本的区别(5) 学会在linux中设置，修改,显示时间 1.3 课题技术支持了解Linux的时钟 由于Linux时钟和Windows时钟从概念的分类、使用到设置都有很大的不同，所以，搞清楚Linux时钟的工作方式与设置操作，不仅对于Linux初学者有着重大意义，而且对于使用Linux服务器的用户来说尤为重要。1.4 可行性分析报告 Windows时钟大家可能十分熟悉了，Linux时钟在概念上类似Windows时钟显示当前系统时间，但在时钟分类和设置上却和Windows大相径庭。和Windows不同的是，Linux将时钟分为系统时钟(System Clock)和硬件(Real Time Clock，简称RTC)时钟两种。系统时间是指当前Linux Kernel中的时钟，而硬件时钟则是主板上由电池供电的那个主板硬件时钟，这个时钟可以在BIOS的“Standard BIOS Feture”项中进行设置。既然Linux有两个时钟系统，那么大家所使用的Linux默认使用哪种时钟系统呢？会不回出现两种系统时钟冲突的情况呢？这些疑问和担心不无道理。首先，Linux并没有默认哪个时钟系统。当Linux启动时，硬件时钟会去读取系统时钟的设置，然后系统时钟就会独立于硬件运作。从Linux启动过程来看，系统时钟和硬件时钟不会发生冲突，但Linux中的所有命令(包括函数)都是采用的系统时钟设置。不仅如此，系统时钟和硬件时钟还可以采用异步方式，见图1所示，即系统时间和硬件时间可以不同。这样做的好处对于普通用户意义不大，但对于Linux网络管理员却有很大的用处。例如，要将一个很大的网络中(跨越若干时区)的服务器同步，假如位于美国纽约的Linux服务器和北京的Linux服务器，其中一台服务器无须改变硬件时钟而只需临时设置一个系统时间，如要将北京服务器上的时间设置为纽约时间，两台服务器完成文件的同步后，再与原来的时钟同步一下即可。这样系统和硬件时钟就提供了更为灵活的操作。 2 实现原理通常，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：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。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，直至累积到一秒为止。因为32位的秒计数超过136年，因此这种方法直至22世纪都可以让系统工作得很好。第三种方法是按系统启动以来的滴答次数进行计数，而不是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。 21 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：82538254 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（1000msHZ）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（s），由于在不同平台上宏HZ的值会有所不同，因此方程式tick1000000HZ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（1000000HZ2）HZ，其中被除数表达式中的HZ2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（archi386/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将每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HZ2也是用来将LATCH向上圆整成一个整数。 22 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： 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是一个易改变的变量，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。 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19700101 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1000000tv_usec0。 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; 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; 23 Linux对TSC的编程实现 Linux用定义在arch/i386/kernel/time.c文件中的全局变量use_tsc来表示内核是否使用CPU的TSC寄存器，use_tsc1表示使用TSC，use_tsc0表示不使用TSC。该变量的值是在time_init()初始化函数中被初始化的（详见下一节）。该变量的定义如下： static int use_tsc; 宏cpu_has_tsc可以确定当前系统的CPU是否配置有TSC寄存器。此外，宏CONFIG_X86_TSC也表示是否存在TSC寄存器。 1 读TSC寄存器的宏操作 x86 CPU的rdtsc指令将TSC寄存器的高32位值读到EDX寄存器中、低32位读到EAX寄存器中。Linux根据不同的需要，在rdtsc指令的基础上封装几个高层宏操作，以读取TSC寄存器的值。它们均定义在include/asm-i386/msr.h头文件中，如下： #define rdtsc(low,high) _asm_ _volatile_(rdtsc : =a (low), =d (high) #define rdtscl(low) _asm_ _volatile_ (rdtsc : =a (low) : : edx) #define rdtscll(val) _asm_ _volatile_ (rdtsc : =A (val) 宏rdtsc（）同时读取TSC的LSB与MSB，并分别保存到宏参数low和high中。宏rdtscl则只读取TSC寄存器的LSB，并保存到宏参数low中。宏rdtscll读取TSC的当前64位值，并将其保存到宏参数val这个64位变量中。 2 校准TSC 与可编程定时器PIT相比，用TSC寄存器可以获得更精确的时间度量。但是在可以使用TSC之前，它必须精确地确定1个TSC计数值到底代表多长的时间间隔，也即到底要过多长时间间隔TSC寄存器才会加1。Linux内核用全局变量fast_gettimeoffset_quotient来表示这个值，其定义如下（arch/i386/kernel/time.c）： /* Cached *multiplier* to convert TSC counts to microseconds. * (see the equation below). * Equal to 232 * (1 / (clocks per usec) ). * Initialized in time_init. */ unsigned long fast_gettimeoffset_quotient; 根据上述定义的注释我们可以看出，这个变量的值是通过下述公式来计算的： fast_gettimeoffset_quotient (232) / (每微秒内的时钟周期个数) 定义在arch/i386/kernel/time.c文件中的函数calibrate_tsc()就是根据上述公式来计算fast_gettimeoffset_quotient的值的。显然这个计算过程必须在内核启动时完成，因此，函数calibrate_tsc()只被初始化函数time_init()所调用。 3 用TSC实现高精度的时间服务 在拥有TSC（TimeStamp Counter）的x86 CPU上，Linux内核可以实现微秒级的高精度定时服务，也即可以确定两次时钟中断之间的某个时刻的微秒级时间值。要确定时刻x的微秒级时间值，就必须确定时刻x距上一次时钟中断产生时刻的时间间隔偏移offset_usec的值（以微秒为单位）。为此，内核定义了以下两个变量： （1）中断服务执行延迟delay_at_last_interrupt：由于从产生时钟中断的那个时刻到内核时钟中断服务函数timer_interrupt真正在CPU上执行的那个时刻之间是有一段延迟间隔的，因此，Linux内核用变量delay_at_last_interrupt来表示这一段时间延迟间隔，其定义如下（arch/i386/kernel/time.c）： /* Number of usecs that the last interrupt was delayed */ static int delay_at_last_interrupt; 关于delay_at_last_interrupt的计算步骤我们将在分析timer_interrupt（）函数时讨论。 （2）全局变量last_tsc_low：它表示中断服务timer_interrupt真正在CPU上执行时刻的TSC寄存器值的低32位（LSB）。 显然，通过delay_at_last_interrupt、last_tsc_low和时刻x处的TSC寄存器值，我们就可以完全确定时刻x距上一次时钟中断产生时刻的时间间隔偏移offset_usec的值。实现在arch/i386/kernel/time.c中的函数do_fast_gettimeoffset()就是这样计算时间间隔偏移的，当然它仅在CPU配置有TSC寄存器时才被使用，后面我们会详细分析这个函数。 3 时钟中断的驱动如前所述，82538254 PIT的通道0通常被用来在IRQ0上产生周期性的时钟中断。对时钟中断的驱动是绝大数操作系统内核实现time-keeping的关键所在。不同的OS对时钟驱动的要求也不同，但是一般都包含下列要求内容： 1. 维护系统的当前时间与日期。 2. 防止进程运行时间超出其允许的时间。 3. 对CPU的使用情况进行记帐统计。 4. 处理用户进程发出的时间系统调用。 5. 对系统某些部分提供监视定时器。 其中，第一项功能是所有OS都必须实现的基础功能，它是OS内核的运行基础。31 Linux对时钟中断的初始化 Linux对时钟中断的初始化是分为几个步骤来进行的：（1）首先，由init_IRQ()函数通过调用init_ISA_IRQ()函数对中断向量32256所对应的中断向量描述符进行初始化设置。显然，这其中也就把IRQ0（也即中断向量32）的中断向量描述符初始化了。（2）然后，init_IRQ()函数设置中断向量32256相对应的中断门。（3）init_IRQ()函数对PIT进行初始化编程；（4）sched_init()函数对计数器、时间中断的Bottom Half进行初始化。（5）最后，由time_init()函数对Linux内核的时钟中断机制进行初始化。这三个初始化函数都是由init/main.c文件中的start_kernel()函数调用的，如下： asmlinkage void _init start_kernel() trap_init(); init_IRQ(); sched_init(); time_init(); softirq_init(); (1)init_IRQ()函数对8254 PIT的初始化编程 函数init_IRQ()函数在完成中断门的初始化后，就对8254 PIT进行初始化编程设置，设置的步骤如下：（1）设置8254 PIT的控制寄存器（端口0x43）的值为“01100100”，也即选择通道0、先读写LSB再读写MSB、工作模式2、二进制存储格式。（2）将宏LATCH的值写入通道0的计数器中（端口0x40），注意要先写LATCH的LSB，再写LATCH的高字节。其源码如下所示（arch/i386/kernel/i8259.c）： void _init init_IRQ(void) /* * Set the clock to HZ Hz, we already have a valid * vector now: */ outb_p(0x34,0x43); /* binary, mode 2, LSB/MSB, ch 0 */ outb_p(LATCH & 0xff , 0x40); /* LSB */ outb(LATCH 8 , 0x40); /* MSB */ （2）sched_init()对定时器机制和时钟中断的Bottom Half的初始化 函数sched_init()中与时间相关的初始化过程主要有两步：（1）调用init_timervecs()函数初始化内核定时器机制；（2）调用init_bh()函数将BH向量TIMER_BH、TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH所对应的BH函数分别设置成timer_bh()、tqueue_bh()和immediate_bh()函数。如下所示（kernel/sched.c）： void _init sched_init(void) init_timervecs(); init_bh(TIMER_BH, timer_bh); init_bh(TQUEUE_BH, tqueue_bh); init_bh(IMMEDIATE_BH, immediate_bh); 4详细设计4.1 基本操作(1)date 042612492005(2)hwclock w第一步的意思是设置时间,设置完了可以用date命令查看对不对.格式是月日时分年第二步的意思是写入主板的rtc芯片.=su -c date -s 月/日/年su -c date -s 时:分:秒=1.在虚拟终端中使用date命令来查看和设置系统时间查看系统时钟的操作：# date设置系统时钟的操作：# date 091713272003.30通用的设置格式：# date 月日时分年.秒2.使用hwclock或clock命令查看和设置硬件时钟查看硬件时钟的操作：# hwclock -show 或# clock -show2003年09月17日 星期三 13时24分11秒 -0.482735 seconds设置硬件时钟的操作：# hwclock -set -date=09/17/2003 13:26:00或者# clock -set -date=09/17/2003 13:26:00通用的设置格式：hwclock/clock -set -date=“月/日/年 时：分：秒”。3.同步系统时钟和硬件时钟Linux系统(使用的是Red hat Enterprise linux 5)默认重启后，硬件时钟和系统时钟同步。如果不大方便重新启动的话(服务器通常很少重启)，使用clock或hwclock命令来同步系统时钟和硬件时钟。硬件时钟与系统时钟同步：# hwclock -hctosys或者# clock -hctosys上面命令中，-hctosys表示Hardware Clock to SYStem clock。系统时钟和硬件时钟同步：# hwclock -systohc或者# clock -systohc还可以使用图形化系统设置