本系列文章的前兩節討論了用於計時的時鐘源：clocksource，以及核心內部時間的一些表示方法，但是對於真實的使用者來說，我們感知的是真實世界的真實時間，也就是所謂的牆上時間，clocksource只能提供一個按給定頻率不停遞增的週期計數，如何把它和真實的牆上時間相關聯？本節的內容正是要討論這一點。

1.  時間的種類

核心管理著多種時間，它們分別是：

• RTC時間
• wall time：牆上時間
• monotonic time
• raw monotonic time
• boot time：總啟動時間

RTC時間  在PC中，RTC時間又叫CMOS時間，它通常由一個專門的計時硬體來實現，軟體可以讀取該硬體來獲得年月日、時分秒等時間資訊，而在嵌入式系統中，有使用專門的RTC晶片，也有直接把RTC整合到Soc晶片中，讀取Soc中的某個暫存器即可獲取當前時間資訊。一般來說，RTC是一種可持續計時的，也就是說，不管系統是否上電，RTC中的時間資訊都不會丟失，計時會一直持續進行，硬體上通常使用一個後備電池對RTC硬體進行單獨的供電。因為RTC硬體的多樣性，開發者需要為每種RTC時鐘硬體提供相應的驅動程式，核心和使用者空間通過驅動程式訪問RTC硬體來獲取或設定時間資訊。

xtime  xtime和RTC時間一樣，都是人們日常所使用的牆上時間，只是RTC時間的精度通常比較低，大多數情況下只能達到毫秒級別的精度，如果是使用外部的RTC晶片，訪問速度也比較慢，為此，核心維護了另外一個wall time時間：xtime，取決於用於對xtime計時的clocksource，它的精度甚至可以達到納秒級別，因為xtime實際上是一個記憶體中的變數，它的訪問速度非常快，核心大部分時間都是使用xtime來獲得當前時間資訊。xtime記錄的是自1970年1月1日24時到當前時刻所經歷的納秒數。

monotonic time  該時間自系統開機後就一直單調地增加，它不像xtime可以因使用者的調整時間而產生跳變，不過該時間不計算系統休眠的時間，也就是說，系統休眠時，monotoic時間不會遞增。

raw monotonic time  該時間與monotonic時間類似，也是單調遞增的時間，唯一的不同是：raw monotonic time“更純淨”，他不會受到NTP時間調整的影響，它代表著系統獨立時鐘硬體對時間的統計。

boot time  與monotonic時間相同，不過會累加上系統休眠的時間，它代表著系統上電後的總時間。

2.  struct timekeeper

核心用timekeeper結構來組織與時間相關的資料，它的定義如下：

1. struct timekeeper {  
2.     struct clocksource *clock;    /* Current clocksource used for timekeeping. */
3.     u32 mult;    /* NTP adjusted clock multiplier */
4.     int shift;  /* The shift value of the current clocksource. */
5.     cycle_t cycle_interval; /* Number of clock cycles in one NTP interval. */
6.     u64 xtime_interval; /* Number of clock shifted nano seconds in one NTP interval. */
7.     s64 xtime_remainder;    /* shifted nano seconds left over when rounding cycle_interval */
8.     u32 raw_interval;   /* Raw nano seconds accumulated per NTP interval. */
9.     u64 xtime_nsec; /* Clock shifted nano seconds remainder not stored in xtime.tv_nsec. */
10.     /* Difference between accumulated time and NTP time in ntp 
11.      * shifted nano seconds. */
12.     s64 ntp_error;  
13.     /* Shift conversion between clock shifted nano seconds and 
14.      * ntp shifted nano seconds. */
15.     int ntp_error_shift;  
16.     struct timespec xtime;  /* The current time */
17.     struct timespec wall_to_monotonic;  
18.     struct timespec total_sleep_time;   /* time spent in suspend */
19.     struct timespec raw_time;   /* The raw monotonic time for the CLOCK_MONOTONIC_RAW posix clock. */
20.     ktime_t offs_real;  /* Offset clock monotonic -> clock realtime */
21.     ktime_t offs_boot;  /* Offset clock monotonic -> clock boottime */
22.     seqlock_t lock; /* Seqlock for all timekeeper values */
23. };  

核心除了用xtime表示牆上的真實時間外，還維護了另外一個時間：monotonic time，可以把它理解為自系統啟動以來所經過的時間，該時間只能單調遞增，可以理解為xtime雖然正常情況下也是遞增的，但是畢竟使用者可以主動向前或向後調整牆上時間，從而修改xtime值。但是monotonic時間不可以往後退，系統啟動後只能不斷遞增。奇怪的是，核心並沒有直接定義一個這樣的變數來記錄monotonic時間，而是定義了一個變數wall_to_monotonic，記錄了牆上時間和monotonic時間之間的偏移量，當需要獲得monotonic時間時，把xtime和wall_to_monotonic相加即可，因為預設啟動時monotonic時間為0，所以實際上wall_to_monotonic的值是一個負數，它和xtime同一時間被初始化，請參考timekeeping_init函式。

計算monotonic時間要去除系統休眠期間花費的時間，核心用total_sleep_time記錄休眠的時間，每次休眠醒來後重新累加該時間，並調整wall_to_monotonic的值，使其在系統休眠醒來後，monotonic時間不會發生跳變。因為wall_to_monotonic值被調整。所以如果想獲取boot time，需要加入該變數的值：

1. void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts)  
2. {  
3.         ......  
4.     do {  
5.         seq = read_seqbegin(&timekeeper.lock);  
6.         *ts = timekeeper.xtime;  
7.         tomono = timekeeper.wall_to_monotonic;  
8.         <span style="color:#ff0000;">sleep = timekeeper.total_sleep_time;</span>  
9.         nsecs = timekeeping_get_ns();  
10.     } while (read_seqretry(&timekeeper.lock, seq));  
11.     set_normalized_timespec(ts, ts->tv_sec + tomono.tv_sec + sleep.tv_sec,  
12.             ts->tv_nsec + tomono.tv_nsec + sleep.tv_nsec + nsecs);  
13. }  

clock欄位則指向了目前timekeeper所使用的時鐘源，xtime，monotonic time和raw time都是基於該時鐘源進行計時操作，當有新的精度更高的時鐘源被註冊時，通過timekeeping_notify函式，change_clocksource函式將會被呼叫，timekeeper.clock欄位將會被更新，指向新的clocksource。

早期的核心版本中，xtime、wall_to_monotonic、raw_time其實是定義為全域性靜態變數，到我目前的版本（V3.4.10），這幾個變數被移入到了timekeeper結構中，現在只需維護一個timekeeper全域性靜態變數即可：

1. staticstruct timekeeper timekeeper;  

3.  timekeeper的初始化

timekeeper的初始化由timekeeping_init完成，該函式在start_kernel的初始化序列中被呼叫，timekeeping_init首先從RTC中獲取當前時間：

1. void __init timekeeping_init(void)  
2. {  
3.     struct clocksource *clock;  
4.     unsigned long flags;  
5.     struct timespec now, boot;  
6.     read_persistent_clock(&now);  
7.     read_boot_clock(&boot);  

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

1. write_seqlock_irqsave(&timekeeper.lock, flags);  
2. clock = clocksource_default_clock();  
3. if (clock->enable)  
4.     clock->enable(clock);  
5. timekeeper_setup_internals(clock);  

1. timekeeper.xtime.tv_sec = now.tv_sec;  
2. timekeeper.xtime.tv_nsec = now.tv_nsec;  
3. timekeeper.raw_time.tv_sec = 0;  
4. timekeeper.raw_time.tv_nsec = 0;  
5. if (boot.tv_sec == 0 && boot.tv_nsec == 0) {  
6.     boot.tv_sec = timekeeper.xtime.tv_sec;  
7.     boot.tv_nsec = timekeeper.xtime.tv_nsec;  
8. }  
9. set_normalized_timespec(&timekeeper.wall_to_monotonic,  
10.             -boot.tv_sec, -boot.tv_nsec);  

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

1. void __attribute__((weak)) read_persistent_clock(struct timespec *ts)  
2. {  
3.     ts->tv_sec = 0;  
4.     ts->tv_nsec = 0;  
5. }  

1. void __attribute__((weak)) read_boot_clock(struct timespec *ts)  
2. {  
3.     ts->tv_sec = 0;  
4.     ts->tv_nsec = 0;  
5. }  

1. staticint __init rtc_hctosys(void)   
2. {   
3.         ......   
4.         err = rtc_read_time(rtc, &tm);   
5.         ......  
6.         rtc_tm_to_time(&tm, &tv.tv_sec);   
7.         do_settimeofday(&tv);   
8.         ......   
9.         return err;   
10. }   
11. late_initcall(rtc_hctosys);  

4.  時間的更新

xtime一旦初始化完成後，timekeeper就開始獨立於RTC，利用自身關聯的clocksource進行時間的更新操作，根據核心的配置項的不同，更新時間的操作發生的頻度也不盡相同，如果沒有配置NO_HZ選項，通常每個tick的定時中斷週期，do_timer會被呼叫一次，相反，如果配置了NO_HZ選項，可能會在好幾個tick後，do_timer才會被呼叫一次，當然傳入的引數是本次更新離上一次更新時相隔了多少個tick週期，系統會保證在clocksource的max_idle_ns時間內呼叫do_timer，以防止clocksource的溢位：

1. void do_timer(unsigned long ticks)  
2. {  
3.     jiffies_64 += ticks;  
4.     update_wall_time();  
5.     calc_global_load(ticks);  
6. }  

5.  獲取時間

timekeeper提供了一系列的介面用於獲取各種時間資訊。

• void getboottime(struct timespec *ts);    獲取系統啟動時刻的實時時間
• void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts);     獲取系統啟動以來所經過的時間，包含休眠時間
• ktime_t ktime_get_boottime(void);   獲取系統啟動以來所經過的c時間，包含休眠時間，返回ktime型別
• ktime_t ktime_get(void);    獲取系統啟動以來所經過的c時間，不包含休眠時間，返回ktime型別
  
• void ktime_get_ts(struct timespec *ts) ;   獲取系統啟動以來所經過的c時間，不包含休眠時間，返回timespec結構
  
• unsigned long get_seconds(void);    返回xtime中的秒計數值
• struct timespec current_kernel_time(void);    返回核心最後一次更新的xtime時間，不累計最後一次更新至今clocksource的計數值
• void getnstimeofday(struct timespec *ts);    獲取當前時間，返回timespec結構
  
• void do_gettimeofday(struct timeval *tv);    獲取當前時間，返回timeval結構