摘要：
本文主要從內核實現的角度分析了Linux 2.4.0內核的時鐘中斷、內核對時間 的表示等。本文是為那些想要了解Linux I/O子系統的讀者和Linux驅動程序開發 人員而寫的。
關鍵詞：Linux、時鐘、定時器
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前言
時間在一個操作系統內核中占據著重要的地位，它是驅動一個OS內核運行的 “起博器”。一般說來，內核主要需要兩種類型的時間：
1. 在內核運行期間持續記錄當前的時間與日期，以便內核對某些對象和事件 作時間標記（timestamp，也稱為“時間戳”），或供用戶通過時間syscall進行 檢索。
2. 維持一個固定周期的定時器，以提醒內核或用戶一段時間已經過去了。
PC機中的時間是有三種時鐘硬件提供的，而這些時鐘硬件又都基於固定頻率 的晶體振蕩器來提供時鐘方波信號輸入。這三種時鐘硬件是：（1）實時時鐘 （Real Time Clock，RTC）；（2）可編程間隔定時器（Programmable Interval Timer，PIT）；（3）時間戳計數器（Time Stamp Counter，TSC）。
時鐘硬件
1、實時時鐘RTC
自從IBM PC AT起，所有的PC機就都包含了一個叫做實時時鐘（RTC）的時鐘 芯片，以便在PC機斷電後仍然能夠繼續保持時間。顯然，RTC是通過主板上的電 池來供電的，而不是通過PC機電源來供電的，因此當PC機關掉電源後，RTC仍然 會繼續工作。通常，CMOS RAM和RTC被集成到一塊芯片上，因此RTC也稱作“CMOS Timer”。最常見的RTC芯片是MC146818（Motorola）和DS12887（maxim）， DS12887完全兼容於MC146818，並有一定的擴展。本節內容主要基於MC146818這 一標准的RTC芯片。具體內容可以參考MC146818的Datasheet。
1．1 RTC寄存器
MC146818 RTC芯片一共有64個寄存器。它們的芯片內部地址編號為0x00～ 0x3F（不是I/O端口地址），這些寄存器一共可以分為三組：
（1）時鐘與日歷寄存器組：共有10個（0x00~0x09），表示時間、日歷的具 體信息。在PC機中，這些寄存器中的值都是以BCD格式來存儲的（比如23dec＝ 0x23BCD）。
（2）狀態和控制寄存器組：共有4個（0x0A~0x0D），控制RTC芯片的工作方 式，並表示當前的狀態。
（3）CMOS配置數據：通用的CMOS RAM，它們與時間無關，因此我們不關心它 。
時鐘與日歷寄存器組的詳細解釋如下：
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）
狀態寄存器A（地址 0x0A）的格式如下：
其中：
（1）bit［7］——UIP標志（Update in Progress），為1表示RTC正在更新 日歷寄存器組中的值，此時日歷寄存器組是不可訪問的（此時訪問它們將得到一 個無意義的漸變值）。
（2）bit［6：4］——這三位是“除法器控制位”（divider-control bits ），用來定義RTC的操作頻率。各種可能的值如下：
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機通常將Divider bits設置成“010”。
（3）bit［3：0］——速率選擇位（Rate Selection bits），用於周期性或 方波信號輸出。
RS bits 4.194304或1.048578 MHZ 32.768 KHZ
RS3 RS2 RS1 RS0 周期性中斷 方波 周期性中斷 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機BIOS對其默認的設置值是“0110”。
狀態寄存器B的格式如下所示：
各位的含義如下：
（1）bit［7］——SET標志。為1表示RTC的所有更新過程都將終止，用戶程 序隨後馬上對日歷寄存器組中的值進行初始化設置。為0表示將允許更新過程繼 續。
（2）bit［6］——PIE標志，周期性中斷使能標志。
（3）bit［5］——AIE標志，告警中斷使能標志。
（4）bit［4］——UIE標志，更新結束中斷使能標志。
（5）bit［3］——SQWE標志，方波信號使能標志。
（6）bit［2］——DM標志，用來控制日歷寄存器組的數據模式，0＝BCD，1 ＝BINARY。BIOS總是將它設置為0。
（7）bit［1］——24／12標志，用來控制hour寄存器，0表示12小時制，1表 示24小時制。PC機BIOS總是將它設置為1。
（8）bit［0］——DSE標志。BIOS總是將它設置為0。
狀態寄存器C的格式如下：
（1）bit［7］——IRQF標志，中斷請求標志，當該位為1時，說明寄存器B中 斷請求發生。
（2）bit［6］——PF標志，周期性中斷標志，為1表示發生周期性中斷請求 。
（3）bit［5］——AF標志，告警中斷標志，為1表示發生告警中斷請求。
（4）bit［4］——UF標志，更新結束中斷標志，為1表示發生更新結束中斷 請求。
狀態寄存器D的格式如下：
（1）bit［7］——VRT標志（Valid RAM and Time），為1表示OK，為0表示 RTC已經掉電。
（2）bit［6：0］——總是為0，未定義。
1．2 通過I/O端口訪問RTC
在PC機中可以通過I/O端口0x70和0x71來讀寫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是數據端口。
讀RTC芯片寄存器的步驟是：
mov al, addr
out 70h, al ; Select reg_addr in RTC chip
jmp $+2 ; a slight delay to settle thing
in al, 71h ;
寫RTC寄存器的步驟如下：
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
1．3 可編程間隔定時器PIT
每個PC機中都有一個PIT，以通過IRQ0產生周期性的時鐘中斷信號。當前使用 最普遍的是Intel 8254 PIT芯片，它的I/O端口地址是0x40~0x43。
Intel 8254 PIT有3個計時通道，每個通道都有其不同的用途：
（1） 通道0用來負責更新系統時鐘。每當一個時鐘滴答過去時，它就會通過 IRQ0向系統產生一次時鐘中斷。
（2） 通道1通常用於控制DMAC對RAM的刷新。
（3） 通道2被連接到PC機的揚聲器，以產生方波信號。
每個通道都有一個向下減小的計數器，8254 PIT的輸入時鐘信號的頻率是 1193181HZ，也即一秒鐘輸入1193181個clock-cycle。每輸入一個clock-cycle其 時間通道的計數器就向下減1，一直減到0值。因此對於通道0而言，當他的計數 器減到0時，PIT就向系統產生一次時鐘中斷，表示一個時鐘滴答已經過去了。當 各通道的計數器減到0時，我們就說該通道處於“Terminal count”狀態。
通道計數器的最大值是10000h，所對應的時鐘中斷頻率是1193181／（65536 ）＝18.2HZ，也就是說，此時一秒鐘之內將產生18.2次時鐘中斷。
2、 PIT的I/O端口
在i386平台上，8254芯片的各寄存器的I/O端口地址如下：
Port Description
40h Channel 0 counter（read/write）
41h Channel 1 counter（read/write）
42h Channel 2 counter（read/write）
43h PIT control word（write only）
其中，由於通道0、1、2的計數器是一個16位寄存器，而相應的端口卻都是8 位的，因此讀寫通道計數器必須進行進行兩次I/O端口讀寫操作，分別對應於計 數器的高字節和低字節，至於是先讀寫高字節再讀寫低字節，還是先讀寫低字節 再讀寫高字節，則由PIT的控制寄存器來決定。8254 PIT的控制寄存器的格式如 下：
（1）bit［7：6］——Select Counter，選擇對那個計數器進行操作。“00 ”表示選擇Counter 0，“01”表示選擇Counter 1，“10”表示選擇Counter 2 ，“11”表示Read-Back Command（僅對於8254，對於8253無效）。
（2）bit［5：4］——Read/Write/Latch格式位。“00”表示鎖存（Latch） 當前計數器的值；“01”只讀寫計數器的高字節（MSB）；“10”只讀寫計數器 的低字節（LSB）；“11”表示先讀寫計數器的LSB，再讀寫MSB。
（3）bit［3：1］——Mode bits，控制各通道的工作模式。“000”對應 Mode 0；“001”對應Mode 1；“010”對應Mode 2；“011”對應Mode 3；“100 ”對應Mode 4；“101”對應Mode 5。
（4）bit［0］——控制計數器的存儲模式。0表示以二進制格式存儲，1表示 計數器中的值以BCD格式存儲。
2．1 PIT通道的工作模式
PIT各通道可以工作在下列6種模式下：
1. Mode 0：當通道處於“Terminal count”狀態時產生中斷信號。
2. Mode 1：Hardware retriggerable one-shot。
3. Mode 2：Rate Generator。這種模式典型地被用來產生實時時鐘中斷。此 時通道的信號輸出管腳OUT初始時被設置為高電平，並以此持續到計數器的值減 到1。然後在接下來的這個clock-cycle期間，OUT管腳將變為低電平，直到計數 器的值減到0。當計數器的值被自動地重新加載後，OUT管腳又變成高電平，然後 重復上述過程。通道0通常工作在這個模式下。
4. Mode 3：方波信號發生器。
5. Mode 4：Software triggered strobe。
6. Mode 5：Hardware triggered strobe。
2．2 鎖存計數器（Latch Counter）
當控制寄存器中的bit［5：4］設置成0時，將把當前通道的計數器值鎖存。 此時通過I/O端口可以讀到一個穩定的計數器值，因為計數器表面上已經停止向 下計數（PIT芯片內部並沒有停止向下計數）。NOTE！一旦發出了鎖存命令，就 要馬上讀計數器的值。
2．3 時間戳記數器TSC
從Pentium開始，所有的Intel 80x86 CPU就都又包含一個64位的時間戳記數 器（TSC）的寄存器。該寄存器實際上是一個不斷增加的計數器，它在CPU的每個 時鐘信號到來時加1（也即每一個clock-cycle輸入CPU時，該計數器的值就加1） 。
匯編指令rdtsc可以用於讀取TSC的值。利用CPU的TSC，操作系統通常可以得 到更為精准的時間度量。假如clock-cycle的頻率是400MHZ，那麼TSC就將每2.5 納秒增加一次。