本文深入探讨了Linux内核的时间子系统，包括clocksource的结构、注册和初始化，内核中时间的表示单位和结构，如jiffies、timeval、timespec和ktime。此外，介绍了timekeeper的维护和更新，以及clock_event_device、tick_device、低精度和高精度定时器的工作原理。文章还详细阐述了高精度定时器（hrtimer）的组织、运作、API和处理，以及动态时钟框架（CONFIG_NO_HZ、tickless）如何降低系统功耗。
1、clocksource
一台设备的硬件时钟源（事实上不一定是“硬件”时钟源）通常有多个，并且多种多样，各有特点。按照层次结构思想，对功能相同，特性和使用方法不同的东西，进行软件抽象，向上层提供统一的服务和使用方式。这样上层就不用关心硬件之间的差异，也不用关心新硬件的适配问题。
1.1 struct clocksourse
struct clocksource {/** Hotpath data, fits in a single cache line when the* clocksource itself is cacheline aligned.*/cycle_t (*read)(struct clocksource *cs);cycle_t cycle_last;cycle_t mask;u32 mult;u32 shift;u64 max_idle_ns;u32 maxadj;#ifdef CONFIG_ARCH_CLOCKSOURCE_DATAstruct arch_clocksource_data archdata;#endifconst char *name;struct list_head list;int rating;int (*enable)(struct clocksource *cs);void (*disable)(struct clocksource *cs);unsigned long flags;void (*suspend)(struct clocksource *cs);void (*resume)(struct clocksource *cs);/* private: */#ifdef CONFIG_CLOCKSOURCE_WATCHDOG/* Watchdog related data, used by the framework */struct list_head wd_list;cycle_t cs_last;cycle_t wd_last;#endif} ____cacheline_aligned;
重要字段的解释
1）
rating：时钟源的精度
每种时钟源的精度不同，每个时钟源的精度由驱动它的时钟频率决定，比如一个由10MHz时钟驱动的时钟源，他的精度就是100nS。clocksource结构中有一个rating字段，代表着该时钟源的精度范围，它的取值范围如下：
- 1--99： 不适合于用作实际的时钟源，只用于启动过程或用于测试；
- 100--199：基本可用，可用作真实的时钟源，但不推荐；
- 200--299：精度较好，可用作真实的时钟源；
- 300--399：很好，精确的时钟源；
- 400--499：理想的时钟源，如有可能就必须选择它作为时钟源；
2） read回调函数
时钟源本身不会产生中断，要获得时钟源的当前计数，只能通过主动调用它的read回调函数来获得当前的计数值，注意这里只能获得计数值，也就是所谓的cycle，要获得相应的时间，必须要借助clocksource的mult和shift字段进行转换计算。
3） mult和shift字段
因为从clocksource中读到的值是一个cycle计数值，要转换为时间，我们必须要知道驱动clocksource的时钟频率F，一个简单的计算就可以完成：
t = cycle/F;
可是clocksource并没有保存时钟的频率F，因为使用上面的公式进行计算，需要使用浮点运算，这在内核中是不允许的，因此，内核使用了另外一个变通的办法，根据时钟的频率和期望的精度，事先计算出两个辅助常数mult和shift，然后使用以下公式进行cycle和t的转换：
t = (cycle * mult) >> shift;
只要我们保证：
F = (1 << shift) / mult;
内核内部使用64位进行该转换计算：
static inline s64 clocksource_cyc2ns(cycle_t cycles, u32 mult, u32 shift)
{
return ((u64) cycles * mult) >> shift;
}
从转换精度考虑，mult的值是越大越好，但是为了计算过程不发生溢出，mult的值又不能取得过大。为此内核假设cycle计数值被转换后的最大时间值：10分钟（600秒），主要的考虑是CPU进入IDLE状态后，时间信息不会被更新，只要在10分钟内退出IDLE，clocksource的cycle计数值就可以被正确地转换为相应的时间，然后系统的时间信息可以被正确地更新。当然最后的结果不一定是10分钟，它由clocksource_max_deferment进行计算，并保存max_idle_ns字段中，tickless的代码要考虑这个值，以防止在NO_HZ配置环境下，系统保持IDLE状态的时间过长。在这样，由10分钟这个假设的时间值，我们可以推算出合适的mult和shift值。
1.2 clocksource的注册和初始化
一个clocksource需要通过
clocksource_register_hz（）函数将自己注册进内核。这一般发生在系统自举阶段（必须有的clocksource），硬件加载时由驱动负责注册（可选clocksource）。
// include/linux/clocksource.hstatic inline int clocksource_register_hz(struct clocksource *cs, u32 hz){return __clocksource_register_scale(cs, 1, hz);}
// kernel/time/clocksource.c
/**
* __clocksource_register_scale - Used to install new clocksources
* @cs: clocksource to be registered
* @scale: Scale factor multiplied against freq to get clocksource hz
* @freq: clocksource frequency (cycles per second) divided by scale
*
* Returns -EBUSY if registration fails, zero otherwise.
*
* This *SHOULD NOT* be called directly! Please use the
* clocksource_register_hz() or clocksource_register_khz helper functions.
*/
int __clocksource_register_scale(struct clocksource *cs, u32 scale, u32 freq)
{
/* Initialize mult/shift and max_idle_ns（该clocksource可接受的最大IDLE时间） */
__clocksource_updatefreq_scale(cs, scale, freq);
/* Add clocksource to the clcoksource list */
mutex_lock(&clocksource_mutex);
/* 按clocksource的rating的大小，把该clocksource按顺序挂在全局链表clocksource_list上，
* rating值越大，在链表上的位置越靠前
*/
clocksource_enqueue(cs);
clocksource_enqueue_watchdog(cs);
clocksource_select();//触发clocksource选择，看是否要更换timekeeping系统使用的clocksource
mutex_unlock(&clocksource_mutex);
return 0;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(__clocksource_register_scale);
1.3 clocksource的建立过程
在系统的启动阶段，内核注册了一个基于jiffies的clocksource
// kernel/time/jiffies.cstruct clocksource clocksource_jiffies = {.name = "jiffies",.rating = 1, /* lowest valid rating,精度1/HZ秒*/.read = jiffies_read,.mask = 0xffffffff, /*32bits*/.mult = NSEC_PER_JIFFY << JIFFIES_SHIFT, /* details above */.shift = JIFFIES_SHIFT,};......static int __init init_jiffies_clocksource(void){return clocksource_register(&clocksource_jiffies);}core_initcall(init_jiffies_clocksource);/* 如果平台的代码没有提供定制的clocksource_default_clock函数，它将返回该clocksource： */struct clocksource * __init __weak clocksource_default_clock ( void ){return & clocksource_jiffies ;}
1.4 clocksource watchdog
系统中可能同时会注册对个clocksource，各个clocksource的精度和稳定性各不相同，为了筛选这些注册的clocksource，内核启用了一个定时器用于监控这些clocksource的性能，定时器的周期设为0.5秒：
#define WATCHDOG_INTERVAL (HZ >> 1)#define WATCHDOG_THRESHOLD (NSEC_PER_SEC >> 4)
当有新的clocksource被注册时，除了会挂在全局链表clocksource_list外，还会同时挂在一个watchdog链表上：watchdog_list。定时器周期性地（0.5秒）检查watchdog_list上的clocksource，WATCHDOG_THRESHOLD的值定义为0.0625秒，如果在0.5秒内，clocksource的偏差大于这个值就表示这个clocksource是不稳定的，定时器的回调函数通过clocksource_watchdog_kthread线程标记该clocksource，并把它的rate修改为0，表示精度极差。
2 内核中表示时间的单位和结构
2.1 jiffies
内核用jiffies变量记录系统启动以来经过的时钟滴答数
extern u64 __jiffy_data jiffies_64;extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;
在32位的系统上，jiffies是一个32位的无符号数，系统每过1/HZ秒，jiffies的值就会加1，最终该变量可能会溢出，所以内核同时又定义了一个64位的变量jiffies_64，链接的脚本保证jiffies变量和jiffies_64变量的内存地址是相同的，通常，我们可以直接访问jiffies变量，但是要获得jiffies_64变量，必须通过辅助函数get_jiffies_64来实现。jiffies是内核的低精度定时器的计时单位，所以内核配置的HZ数决定了低精度定时器的精度，如果HZ数被设定为1000，那么，低精度定时器（timer_list）的精度就是1ms=1/1000秒。
因为jiffies变量可能存在溢出的问题，所以在用基于jiffies进行比较时，应该使用以下辅助宏来实现：
time_after(a,b)time_before(a,b)time_after_eq(a,b)time_before_eq(a,b)time_in_range(a,b,c)
同时，内核还提供了一些辅助函数用于jiffies和毫秒以及纳秒之间的转换：
unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long j);unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long j);unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m);unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);
2.2 struct timeval
struct timeval {__kernel_time_t tv_sec; /* seconds */__kernel_suseconds_t tv_usec; /* microseconds */};
__kernel_time_t
和
__kernel_suseconds_t 实际上都是long型的整数。gettimeofday和settimeofday使用timeval作为时间单位。
转换函数：
static inline int timeval_compare(const struct timeval *lhs, const struct timeval *rhs);static inline s64 timeval_to_ns(const struct timeval *tv);extern struct timeval ns_to_timeval(const s64 nsec);
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