linux_clock

基于LINUX操作系统下的各种详细配置（如FTP

* timestamp, the maximum error is < 1 jiffy. But timestamps are
* still perfectly ordered.
* Note that the TSC counter will be reset if APM suspends
* to disk; this won't break the kernel, though, 'cuz we're
* smart. See arch/i386/kernel/apm.c.
*/
/*
* Firstly we have to do a CPU check for chips with
* a potentially buggy TSC. At this point we haven't run
* the ident/bugs checks so we must run this hook as it
* may turn off the TSC flag.
*
* NOTE: this doesnt yet handle SMP 486 machines where only
* some CPU's have a TSC. Thats never worked and nobody has
* moaned if you have the only one in the world - you fix it!
*/

dodgy_tsc();

if (cpu_has_tsc) {
unsigned long tsc_quotient = calibrate_tsc();
if (tsc_quotient) {
fast_gettimeoffset_quotient = tsc_quotient;
use_tsc = 1;
/*
* We could be more selective here I suspect
* and just enable this for the next intel chips ?
*/
x86_udelay_tsc = 1;
#ifndef do_gettimeoffset
do_gettimeoffset = do_fast_gettimeoffset;
#endif
do_get_fast_time = do_gettimeofday;

/* report CPU clock rate in Hz.
* The formula is (10^6 * 2^32) / (2^32 * 1 / (clocks/us)) =
* clock/second. Our precision is about 100 ppm.
*/
{ unsigned long eax=0, edx=1000;
__asm__("divl %2"
:"=a" (cpu_khz), "=d" (edx)
:"r" (tsc_quotient),
"0" (eax), "1" (edx));
printk("Detected %lu.%03lu MHz processor.\n", cpu_khz / 1000, cpu_khz % 1000);
}
}
}

#ifdef CONFIG_VISWS
printk("Starting Cobalt Timer system clock\n");

/* Set the countdown value */
co_cpu_write(CO_CPU_TIMEVAL, CO_TIME_HZ/HZ);

/* Start the timer */
co_cpu_write(CO_CPU_CTRL, co_cpu_read(CO_CPU_CTRL) | CO_CTRL_TIMERUN);

/* Enable (unmask) the timer interrupt */
co_cpu_write(CO_CPU_CTRL, co_cpu_read(CO_CPU_CTRL) & ~CO_CTRL_TIMEMASK);

/* Wire cpu IDT entry to s/w handler (and Cobalt APIC to IDT) */
setup_irq(CO_IRQ_TIMER, &irq0);
#else
setup_irq(0, &irq0);
#endif
}
对该函数的注解如下：
（1）调用函数get_cmos_time()从RTC中得到系统启动时的时间与日期，它返回的是当前时间相对于1970－01－01 00：00：00这个UNIX时间基准的秒数值。因此这个秒数值就被保存在系统全局变量xtime的tv_sec成员中。而xtime的另一个成员 tv_usec则被初始化为0。
（2）通过dodgy_tsc()函数检测CPU是否存在时间戳记数器BUG（I know nothing about it：－）
（3）通过宏cpu_has_tsc来确定系统中CPU是否存在TSC计数器。如果存在TSC，那么内核就可以用TSC来获得更为精确的时间。为了能够用TSC来修正内核时间。这里必须作一些初始化工作：①调用calibrate_tsc()来确定TSC的每一次计数真正代表多长的时间间隔（单位为us），也即一个时钟周期的真正时间间隔长度。②将calibrate_tsc()函数所返回的值保存在全局变量 fast_gettimeoffset_quotient中，该变量被用来快速地计算时间偏差；同时还将另一个全局变量use_tsc设置为1，表示内核可以使用TSC。这两个变量都定义在arch/i386/kernel/time.c文件中，如下：
/* Cached *multiplier* to convert TSC counts to microseconds.
* (see the equation below).
* Equal to 2^32 * (1 / (clocks per usec) ).
* Initialized in time_init.
*/
unsigned long fast_gettimeoffset_quotient;
……
static int use_tsc;
③接下来，将系统全局变量x86_udelay_tsc设置为1，表示可以通过TSC来实现微妙级的精确延时。该变量定义在 arch/i386/lib/delay.c文件中。④将函数指针do_gettimeoffset强制性地指向函数 do_fast_gettimeoffset()（与之对应的是do_slow_gettimeoffset()函数），从而使内核在计算时间偏差时可以用TSC这种快速的方法来进行。⑤将函数指针do_get_fast_time指向函数do_gettimeofday()，从而可以让其他内核模块通过 do_gettimeofday()函数来获得更精准的当前时间。⑥计算并报告根据TSC所算得的CPU时钟频率。
（4）不考虑CONFIG_VISWS的情况，因此time_init()的最后一个步骤就是调用setup_irq()函数来为IRQ0挂接具体的中断服务描述符irq0。全局变量irq0是时钟中断请求的中断服务描述符，其定义如下（arch/i386/kernel/time.c）：
static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, 0, "timer", NULL, NULL};
显然，函数timer_interrupt()将成为时钟中断的服务程序（ISR），而SA_INTERRUPT标志也指定了 timer_interrupt()函数将是在CPU关中断的条件下执行的。结构irq0中的next指针被设置为NULL，因此IRQ0所对应的中断服务队列中只有irq0这唯一的一个元素，且IRQ0不允许中断共享。

7．4．2 时钟中断服务例程timer_interrupt()
中断服务描述符irq0一旦被钩挂到IRQ0的中断服务队列中去后，Linux内核就可以通过irq0->handler函数指针所指向的 timer_interrupt()函数对时钟中断请求进行真正的服务，而不是向前面所说的那样只是让CPU“空跑”一趟。此时，Linux内核可以说是真正的“跳动”起来了。
在本节一开始所述的对时钟中断驱动的5项要求中，通常只有第一项（即timekeeping）是最为迫切的，因此必须在时钟中断服务例程中完成。而其余的几个要求可以稍缓，因此可以放在时钟中断的Bottom Half中去执行。这样，Linux内核就是timer_interrupt()函数的执行时间尽可能的短，因为它是在CPU关中断的条件下执行的。
函数timer_interrupt()的源码如下（arch/i386/kernel/time.c）：
/*
* This is the same as the above, except we _also_ save the current
* Time Stamp Counter value at the time of the timer interrupt, so that
* we later on can estimate the time of day more exactly.
*/
static void timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
int count;

/*
* Here we are in the timer irq handler. We just have irqs locally
* disabled but we don't know if the timer_bh is running on the other
* CPU. We need to avoid to SMP race with it. NOTE: we don' t need
* the irq version of write_lock because as just said we have irq
* locally disabled. -arca
*/
write_lock(&xtime_lock);

if (use_tsc)
{
/*
* It is important that these two operations happen almost at
* the same time. We do the RDTSC stuff first, since it's
* faster. To avoid any inconsistencies, we need interrupts
* disabled locally.
*/

/*
* Interrupts are just disabled locally since the timer irq
* has the SA_INTERRUPT flag set. -arca
*/

/* read Pentium cycle counter */

rdtscl(last_tsc_low);

spin_lock(&i8253_lock);
outb_p(0x00, 0x43); /* latch the count ASAP */

count = inb_p(0x40); /* read the latched count */
count |= inb(0x40) << 8;
spin_unlock(&i8253_lock);

count = ((LATCH-1) - count) * TICK_SIZE;
delay_at_last_interrupt = (count + LATCH/2) / LATCH;
}

do_timer_interrupt(irq, NULL, regs);

write_unlock(&xtime_lock);

}
对该函数的注释如下：
（1）由于函数执行期间要访问全局时间变量xtime，因此一开就对自旋锁xtime_lock进行加锁。
（2）如果内核使用CPU的TSC寄存器（use_tsc变量非0），那么通过TSC寄存器来计算从时间中断的产生到timer_interrupt（）函数真正在CPU上执行这之间的时间延迟：
l 调用宏rdtscl()将64位的TSC寄存器值中的低32位（LSB）读到变量last_tsc_low中，以供 do_fast_gettimeoffset()函数计算时间偏差之用。这一步的实质就是将CPU TSC寄存器的值更新到内核对TSC的缓存变量last_tsc_low中。
l 通过读8254 PIT的通道0的计数器的当前值来计算时间延迟，为此：首先，对自旋锁i8253_lock进行加锁。自旋锁i8253_lock的作用就是用来串行化对 8254 PIT的读写访问。其次，向8254的控制寄存器（端口0x43）中写入值0x00，以便对通道0的计数器进行锁存。最后，通过端口0x40将通道0的计数器的当前值读到局部变量count中，并解锁i8253_lock。
l 显然，从时间中断的产生到timer_interrupt()函数真正执行这段时间内，以一共流逝了（（LATCH-1）-count）个时钟周期，因此这个延时长度可以用如下公式计算：
delay_at_last_interrupt＝（（（LATCH-1）－count）÷LATCH）﹡TICK_SIZE
显然，上述公式的结果是个小数，应对其进行四舍五入，为此，Linux用下述表达式来计算delay_at_last_interrupt变量的值：
（（（LATCH-1）-count）＊TICK_SIZE＋LATCH/2）／LATCH
上述被除数表达式中的LATCH／2就是用来将结果向上圆整成整数的。
（3）在计算出时间延迟后，最后调用函数do_timer_interrupt()执行真正的时钟服务。

函数do_timer_interrupt()的源码如下（arch/i386/kernel/time.c）：
/*
* timer_interrupt() needs to keep up the real-time clock,
* as well as call the "do_timer()" routine every clocktick
*/
static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
。。。。。。
do_timer(regs);
。。。。。。。
/*
* If we have an externally synchronized Linux clock, then update
* CMOS clock accordingly every ~11 minutes. Set_rtc_mmss() has to be
* called as close as possible to 500 ms before the new second starts.
*/
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 it again in 60 s */
}
……
}
上述代码中省略了许多与SMP相关的代码，因为我们不关心SMP。从上述代码我们可以看出，do_timer_interrupt()函数主要作两件事：
（1）调用do_timer()函数。
（2）判断是否需要更新CMOS时钟（即RTC）中的时间。Linux仅在下列三个条件同时成立时才更新CMOS时钟：①系统全局时间状态变量 time_status中没有设置STA_UNSYNC标志，也即说明Linux有一个外部同步时钟。实际上全局时间状态变量time_status仅在一种情况下会被清除STA_SYNC标志，那就是执行adjtimex()系统调用时（这个syscall与NTP有关）。②自从上次CMOS时钟更新已经过去了11分钟。全局变量last_rtc_update保存着上次更新CMOS时钟的时间。③由于RTC存在Update Cycle，因此最好在一秒时间间隔的中间位置500ms左右调用set_rtc_mmss()函数来更新CMOS时钟。因此Linux规定仅当全局变量 xtime的微秒数tv_usec在500000±（tick/2）微秒范围范围之内时，才调用set_rtc_mmss()函数。如果上述条件均成立，那就调用s