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Linux时间子系统之三:时间的维护者:timekeeper

http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/7989566

本系列文章的前两节讨论了用于计时的时钟源:clocksource,以及内核内部时间的一些表示方法,但是对于真实的用户来说,我们感知的是真实世界的真实时间,也就是所谓的墙上时间,clocksource只能提供一个按给定频率不停递增的周期计数,如何把它和真实的墙上时间相关联?本节的内容正是要讨论这一点。

1. 时间的种类

内核管理着多种时间,它们分别是:

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RTC时间
wall time:墙上时间
monotonic time
raw monotonic time
boot time:总启动时间

RTC时间 在PC中,RTC时间又叫CMOS时间,它通常由一个专门的计时硬件来实现,软件可以读取该硬件来获得年月日、时分秒等时间信息,而在嵌入式系统中,有使用专门的RTC芯片,也有直接把RTC集成到Soc芯片中,读取Soc中的某个寄存器即可获取当前时间信息。一般来说,RTC是一种可持续计时的,也就是说,不管系统是否上电,RTC中的时间信息都不会丢失,计时会一直持续进行,硬件上通常使用一个后备电池对RTC硬件进行单独的供电。因为RTC硬件的多样性,开发者需要为每种RTC时钟硬件提供相应的驱动程序,内核和用户空间通过驱动程序访问RTC硬件来获取或设置时间信息。

xtime xtime和RTC时间一样,都是人们日常所使用的墙上时间,只是RTC时间的精度通常比较低,大多数情况下只能达到毫秒级别的精度,如果是使用外部的RTC芯片,访问速度也比较慢,为此,内核维护了另外一个wall time时间:xtime,取决于用于对xtime计时的clocksource,它的精度甚至可以达到纳秒级别,因为xtime实际上是一个内存中的变量,它的访问速度非常快,内核大部分时间都是使用xtime来获得当前时间信息。xtime记录的是自1970年1月1日24时到当前时刻所经历的纳秒数。

monotonic time 该时间自系统开机后就一直单调地增加,它不像xtime可以因用户的调整时间而产生跳变,不过该时间不计算系统休眠的时间,也就是说,系统休眠时,monotoic时间不会递增。

raw monotonic time 该时间与monotonic时间类似,也是单调递增的时间,唯一的不同是:raw monotonic time“更纯净”,他不会受到NTP时间调整的影响,它代表着系统独立时钟硬件对时间的统计。

boot time 与monotonic时间相同,不过会累加上系统休眠的时间,它代表着系统上电后的总时间。

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时间种 类     精度(统计单位)     访问速度     累计休眠时间     受NTP调整的影响
RTC           低                   慢           Yes              Yes
xtime         高                   快           Yes              Yes
monotonic     高                   快           No               Yes
raw monotonic 高                   快           No               No
boot time     高                   快           Yes              Yes

2. struct timekeeper

内核用timekeeper结构来组织与时间相关的数据,它的定义如下:

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struct timekeeper {  
	struct clocksource *clock;    /* Current clocksource used for timekeeping. */  
	u32 mult;    /* NTP adjusted clock multiplier */  
	int shift;  /* The shift value of the current clocksource. */  
	cycle_t cycle_interval; /* Number of clock cycles in one NTP interval. */  
	u64 xtime_interval; /* Number of clock shifted nano seconds in one NTP interval. */  
	s64 xtime_remainder;    /* shifted nano seconds left over when rounding cycle_interval */  
	u32 raw_interval;   /* Raw nano seconds accumulated per NTP interval. */  
  
	u64 xtime_nsec; /* Clock shifted nano seconds remainder not stored in xtime.tv_nsec. */  
	/* Difference between accumulated time and NTP time in ntp 
	 * shifted nano seconds. */  
	s64 ntp_error;  
	/* Shift conversion between clock shifted nano seconds and 
	 * ntp shifted nano seconds. */  
	int ntp_error_shift;  
  
	struct timespec xtime;  /* The current time */  
  
	struct timespec wall_to_monotonic;  
	struct timespec total_sleep_time;   /* time spent in suspend */  
	struct timespec raw_time;   /* The raw monotonic time for the CLOCK_MONOTONIC_RAW posix clock. */  
  
	ktime_t offs_real;  /* Offset clock monotonic -> clock realtime */  
  
	ktime_t offs_boot;  /* Offset clock monotonic -> clock boottime */  
  
	seqlock_t lock; /* Seqlock for all timekeeper values */  
};  

其中的xtime字段就是上面所说的墙上时间,它是一个timespec结构的变量,它记录了自1970年1月1日以来所经过的时间,因为是timespec结构,所以它的精度可以达到纳秒级,当然那要取决于系统的硬件是否支持这一精度。

内核除了用xtime表示墙上的真实时间外,还维护了另外一个时间:monotonic time,可以把它理解为自系统启动以来所经过的时间,该时间只能单调递增,可以理解为xtime虽然正常情况下也是递增的,但是毕竟用户可以主动向前或向后调整墙上时间,从而修改xtime值。但是monotonic时间不可以往后退,系统启动后只能不断递增。奇怪的是,内核并没有直接定义一个这样的变量来记录monotonic时间,而是定义了一个变量wall_to_monotonic,记录了墙上时间和monotonic时间之间的偏移量,当需要获得monotonic时间时,把xtime和wall_to_monotonic相加即可,因为默认启动时monotonic时间为0,所以实际上wall_to_monotonic的值是一个负数,它和xtime同一时间被初始化,请参考timekeeping_init函数。

计算monotonic时间要去除系统休眠期间花费的时间,内核用total_sleep_time记录休眠的时间,每次休眠醒来后重新累加该时间,并调整wall_to_monotonic的值,使其在系统休眠醒来后,monotonic时间不会发生跳变。因为wall_to_monotonic值被调整。所以如果想获取boot time,需要加入该变量的值:

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void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts)  
{  
		......  
	do {  
		seq = read_seqbegin(&timekeeper.lock);  
		*ts = timekeeper.xtime;  
		tomono = timekeeper.wall_to_monotonic;  
		<span style="color:#ff0000;">sleep = timekeeper.total_sleep_time;</span>  
		nsecs = timekeeping_get_ns();  
  
	} while (read_seqretry(&timekeeper.lock, seq));  
  
	set_normalized_timespec(ts, ts->tv_sec + tomono.tv_sec + sleep.tv_sec,  
			ts->tv_nsec + tomono.tv_nsec + sleep.tv_nsec + nsecs);  
}  

raw_time字段用来表示真正的硬件时间,也就是上面所说的raw monotonic time,它不受时间调整的影响,monotonic时间虽然也不受settimeofday的影响,但会受到ntp调整的影响,但是raw_time不受ntp的影响,他真的就是开完机后就单调地递增。xtime、monotonic-time和raw_time可以通过用户空间的clock_gettime函数获得,对应的ID参数分别是 CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_MONOTONIC_RAW。

clock字段则指向了目前timekeeper所使用的时钟源,xtime,monotonic time和raw time都是基于该时钟源进行计时操作,当有新的精度更高的时钟源被注册时,通过timekeeping_notify函数,change_clocksource函数将会被调用,timekeeper.clock字段将会被更新,指向新的clocksource。

早期的内核版本中,xtime、wall_to_monotonic、raw_time其实是定义为全局静态变量,到我目前的版本(V3.4.10),这几个变量被移入到了timekeeper结构中,现在只需维护一个timekeeper全局静态变量即可:

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static struct timekeeper timekeeper;  

3. timekeeper的初始化

timekeeper的初始化由timekeeping_init完成,该函数在start_kernel的初始化序列中被调用,timekeeping_init首先从RTC中获取当前时间:

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void __init timekeeping_init(void)  
{  
	struct clocksource *clock;  
	unsigned long flags;  
	struct timespec now, boot;  
  
	read_persistent_clock(&now);  
	read_boot_clock(&boot);  

然后对锁和ntp进行必要的初始化:

	seqlock_init(&timekeeper.lock);  
  
	ntp_init();  

接着获取默认的clocksource,如果平台没有重新实现clocksource_default_clock函数,
默认的clocksource就是基于jiffies的clocksource_jiffies,
然后通过timekeeper_setup_inernals内部函数把timekeeper和clocksource进行关联:

	write_seqlock_irqsave(&timekeeper.lock, flags);  
	clock = clocksource_default_clock();  
	if (clock->enable)  
		clock->enable(clock);  
	timekeeper_setup_internals(clock);  

利用RTC的当前时间,初始化xtime,raw_time,wall_to_monotonic等字段:

	timekeeper.xtime.tv_sec = now.tv_sec;  
	timekeeper.xtime.tv_nsec = now.tv_nsec;  
	timekeeper.raw_time.tv_sec = 0;  
	timekeeper.raw_time.tv_nsec = 0;  
	if (boot.tv_sec == 0 && boot.tv_nsec == 0) {  
		boot.tv_sec = timekeeper.xtime.tv_sec;  
		boot.tv_nsec = timekeeper.xtime.tv_nsec;  
	}  
	set_normalized_timespec(&timekeeper.wall_to_monotonic,  
			-boot.tv_sec, -boot.tv_nsec);  

最后,初始化代表实时时间和monotonic时间之间偏移量的offs_real字段,total_sleep_time字段初始化为0:


	update_rt_offset();  
	timekeeper.total_sleep_time.tv_sec = 0;  
	timekeeper.total_sleep_time.tv_nsec = 0;  
	write_sequnlock_irqrestore(&timekeeper.lock, flags);  

}

xtime字段因为是保存在内存中,系统掉电后无法保存时间信息,所以每次启动时都要通过timekeeping_init从RTC中同步正确的时间信息。其中,read_persistent_clock和read_boot_clock是平台级的函数,分别用于获取RTC硬件时间和启动时的时间,不过值得注意到是,到目前为止(我的代码树基于3.4版本),ARM体系中,只有tegra和omap平台实现了read_persistent_clock函数。如果平台没有实现该函数,内核提供了一个默认的实现:

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void __attribute__((weak)) read_persistent_clock(struct timespec *ts)  
{  
	ts->tv_sec = 0;  
	ts->tv_nsec = 0;  
}  
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void __attribute__((weak)) read_boot_clock(struct timespec *ts)  
{  
	ts->tv_sec = 0;  
	ts->tv_nsec = 0;  
}  

那么,其他ARM平台是如何初始化xtime的?答案就是CONFIG_RTC_HCTOSYS这个内核配置项,打开该配置后,driver/rtc/hctosys.c将会编译到系统中,由rtc_hctosys函数通过do_settimeofday在系统初始化时完成xtime变量的初始化:

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static int __init rtc_hctosys(void)   
{   
		......   
		err = rtc_read_time(rtc, &tm);   
		......  
		rtc_tm_to_time(&tm, &tv.tv_sec);   
		do_settimeofday(&tv);   
		......   
		return err;   
}   
late_initcall(rtc_hctosys);  

4. 时间的更新

xtime一旦初始化完成后,timekeeper就开始独立于RTC,利用自身关联的clocksource进行时间的更新操作,根据内核的配置项的不同,更新时间的操作发生的频度也不尽相同,如果没有配置NO_HZ选项,通常每个tick的定时中断周期,do_timer会被调用一次,相反,如果配置了NO_HZ选项,可能会在好几个tick后,do_timer才会被调用一次,当然传入的参数是本次更新离上一次更新时相隔了多少个tick周期,系统会保证在clocksource的max_idle_ns时间内调用do_timer,以防止clocksource的溢出:

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void do_timer(unsigned long ticks)  
{  
	jiffies_64 += ticks;  
	update_wall_time();  
	calc_global_load(ticks);  
}  

在do_timer中,jiffies_64变量被相应地累加,然后在update_wall_time中完成xtime等时间的更新操作,更新时间的核心操作就是读取关联clocksource的计数值,累加到xtime等字段中,其中还设计ntp时间的调整等代码,详细的代码就不贴了。

5. 获取时间

timekeeper提供了一系列的接口用于获取各种时间信息。

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void getboottime(struct timespec *ts);    获取系统启动时刻的实时时间
void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts);     获取系统启动以来所经过的时间,包含休眠时间
ktime_t ktime_get_boottime(void);   获取系统启动以来所经过的c时间,包含休眠时间,返回ktime类型
ktime_t ktime_get(void);    获取系统启动以来所经过的c时间,不包含休眠时间,返回ktime类型
void ktime_get_ts(struct timespec *ts) ;   获取系统启动以来所经过的c时间,不包含休眠时间,返回timespec结构
unsigned long get_seconds(void);    返回xtime中的秒计数值
struct timespec current_kernel_time(void);    返回内核最后一次更新的xtime时间,不累计最后一次更新至今clocksource的计数值
void getnstimeofday(struct timespec *ts);    获取当前时间,返回timespec结构
void do_gettimeofday(struct timeval *tv);    获取当前时间,返回timeval结构