Linux时间系统的设计与实现

尹能linux时间系统的设计与实现第1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;RedhatEnterpriselinux5尹能linux时间系统的设计与实现第2页共18页1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(SystemClock)和硬件(RealTimeClock，尹能linux时间系统的设计与实现第3页共18页简称RTC)时钟两种。系统时间是指当前LinuxKernel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“StandardBIOSFeture”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。尹能linux时间系统的设计与实现第4页共18页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：①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。②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。③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。2．1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（clockcycle）的频率：8253／8254PIT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8254PIT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：#defineCLOCK_TICK_RATE1193180/*UnderlyingHZ*/（2）时钟滴答（clocktick）：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8254PIT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）：#ifndefHZ尹能linux时间系统的设计与实现第5页共18页#defineHZ100#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（1000ms／HZ）＝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：longtick=(1000000+HZ/2)/HZ;/*timerinterruptperiod*/tick变量的单位是微妙（μs），由于在不同平台上宏HZ的值会有所不同，因此方程式tick＝1000000÷HZ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（1000000＋HZ／2）／HZ，其中被除数表达式中的HZ／2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（arch／i386/kernel/time.c）：#defineTICK_SIZEtick（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）：/*LATCHisusedintheintervaltimerandftapesetup.*/#defineLATCH((CLOCK_TICK_RATE+HZ/2)/HZ)/*Fordivider*/类似地，被除数表达式中的HZ／2也是用来将LATCH向上圆整成一个整数。2．2表示系统当前时间的内核数据结构尹能linux时间系统的设计与实现第6页共18页作为一种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：①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：unsignedlongvolatilejiffies;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。②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1970－01－0100：00：00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：structtimeval{time_ttv_sec;/*seconds*/suseconds_ttv_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_usec＝0。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：/*Thecurrenttime*/volatilestructtimevalxtime__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），因此尹能linux时间系统的设计与实现第7页共18页对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（bottomhalf）中来进行。由于bottomhalf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：/*jiffiesatthemostrecentupdateofwalltime*/unsignedlongwall_jiffies;③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：structtimezone{inttz_minuteswest;/*minuteswestofGreenwich*/inttz_dsttime;/*typeofdstcorrection*/};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：structtimezonesys_tz;2．3Linux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_tsc＝1表示使用TSC，use_tsc＝0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：staticintuse_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