Linux操作系统内核的时钟中断机制

摘要：

本文主要从内核实现的角度分析了Linux 2.4.0内核的时钟中断、内核对时间的表示等。本文是为那些想要了解Linux I/O子系统的读者和Linux驱动程序开发人员而写的。

关键词：Linux、时钟、定时器

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前言

时间在一个操作系统内核中占据着重要的地位，它是驱动一个OS内核运行的“起博器”。一般说来，内核主要需要两种类型的时间：

1. 在内核运行期间持续记录当前的时间与日期，以便内核对某些对象和事件作时间标记（timestamp，也称为“时间戳”），或供用户通过时间syscall进行检索。

2. 维持一个固定周期的定时器，以提醒内核或用户一段时间已经过去了。

PC机中的时间是有三种时钟硬件提供的，而这些时钟硬件又都基于固定频率的晶体振荡器来提供时钟方波信号输入。这三种时钟硬件是：（1）实时时钟（Real Time Clock，RTC）；（2）可编程间隔定时器（Programmable Interval Timer，PIT）；（3）时间戳计数器（Time Stamp Counter，TSC）。

7．1 时钟硬件

7．1．1 实时时钟RTC

自从IBM PC AT起，所有的PC机就都包含了一个叫做实时时钟（RTC）的时钟芯片，以便在PC机断电后仍然能够继续保持时间。显然，RTC是通过主板上的电池来供电的，而不是通过PC机电源来供电的，因此当PC机关掉电源后，RTC仍然会继续工作。通常，CMOS RAM和RTC被集成到一块芯片上，因此RTC也称作“CMOS Timer”。最常见的RTC芯片是MC146818（Motorola）和DS12887（maxim），DS12887完全兼容于MC146818，并有一定的扩展。本节内容主要基于MC146818这一标准的RTC芯片。具体内容可以参考MC146818的Datasheet。

7．1．1．1 RTC寄存器

MC146818 RTC芯片一共有64个寄存器。它们的芯片内部地址编号为0x00～0x3F（不是I/O端口地址），这些寄存器一共可以分为三组：

（1）时钟与日历寄存器组：共有10个（0x00~0x09），表示时间、日历的具体信息。在PC机中，这些寄存器中的值都是以BCD格式来存储的（比如23dec＝0x23BCD）。

（2）状态和控制寄存器组：共有4个（0x0A~0x0D），控制RTC芯片的工作方式，并表示当前的状态。

（3）CMOS配置数据：通用的CMOS RAM，它们与时间无关，因此我们不关心它。

时钟与日历寄存器组的详细解释如下：

Address Function 
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（01＝Sunday） 
07 Current date of month 
08 Current month 
09 Current year（final two digits，eg：93）

状态寄存器A（地址0x0A）的格式如下：

其中：

（1）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）。

（2）bit［6：4］——这三位是“除法器控制位”（divider-control bits），用来定义RTC的操作频率。各种可能的值如下：

Divider bits Time-base frequency Divider Reset Operation Mode 
DV2 DV1 DV0 
0 0 0 4.194304 MHZ NO YES 
0 0 1 1.048576 MHZ NO YES 
0 1 0 32.769 KHZ NO YES 
1 1 0/1 任何 YES NO

PC机通常将Divider bits设置成“010”。

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

RS bits 4.194304或1.048578 MHZ 32.768 KHZ

RS3 RS2 RS1 RS0 周期性中断 方波 周期性中断 方波

0 0 0 0 None 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 0 244.141μs 4.096KHZ 
0 1 0 1 488.281μs 2.048KHZ 
0 1 1 0 976.562μs 1.024KHZ 
0 1 1 1 1.953125ms 512HZ 
1 0 0 0 3.90625ms 256HZ 
1 0 0 1 7.8125ms 128HZ 
1 0 1 0 15.625ms 64HZ 
1 0 1 1 31.25ms 32HZ 
1 1 0 0 62.5ms 16HZ 
1 1 0 1 125ms 8HZ 
1 1 1 0 250ms 4HZ 
1 1 1 1 500ms 2HZ

PC机BIOS对其默认的设置值是“0110”。

状态寄存器B的格式如下所示：

各位的含义如下：

（1）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。

（2）bit［6］——PIE标志，周期性中断使能标志。

（3）bit［5］——AIE标志，告警中断使能标志。

（4）bit［4］——UIE标志，更新结束中断使能标志。

（5）bit［3］——SQWE标志，方波信号使能标志。

（6）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。

（7）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。

（8）bit［0］——DSE标志。BIOS总是将它设置为0。

状态寄存器C的格式如下：

（1）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。

（2）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。

（3）bit［5］——AF标志，告警中断标志，为1表示发生告警中断请求。

（4）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。

状态寄存器D的格式如下：

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

（2）bit［6：0］——总是为0，未定义。

7．1．1．2 通过I/O端口访问RTC

在PC机中可以通过I/O端口0x70和0x71来读写RTC芯片中的寄存器。其中，端口0x70是RTC的寄存器地址索引端口，0x71是数据端口。

读RTC芯片寄存器的步骤是：

mov al, addr 
out 70h, al ; Select reg_addr in RTC chip 
jmp $+2 ; a slight delay to settle thing 
in al, 71h ;

写RTC寄存器的步骤如下：

mov al, addr 
out 70h, al ; Select reg_addr in RTC chip 
jmp $+2 ; a slight delay to settle thing 
mov al, value 
out 71h, al