单片机RTC及时钟芯片的时间到底从哪一年起始？

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#单片机 #mcu

于 2024-01-01 23:30:30 首次发布

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本文通过实测STM32F103、STM32F407、R5F100、DS1302和DS1307等多种设备的RTC功能，发现它们的初始时间通常设定为00年，且00~99年之间能被4整除的年份被视为闰年。这并非源于1970年1月1日的Unix时间戳，而是由于硬件限制和设计选择的差异。

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一、前言

实时时钟RTC在嵌入式系统中是常用的功能，有的单片机有RTC功能，也有专用的RTC芯片，如DS1302、DS1307等。但RTC的“年寄存器”长度有限，一般不会包含所有年份，都是从0开始，到某个数字结束。这个开始的年份“0”到底是哪一年呢？很多人说是1970年1月1日开始，真是这样吗？
没有调查就没有发言权，本文笔者将测试多种单片机，使用内部RTC功能，以及专用的RTC芯片，考证单片机RTC及常用时钟芯片的时间到底从哪一年起始。
要讨论RTC等等时间从哪一年开始，需要用到历法知识，我们需要在特殊的时间点检验RTC的时间是如何变化的，比如闰年的闰月2月28日23:59:59秒之后，时间变成了哪一天。

二、实验测试

1.STM32F103系列内部RTC功能

在STM32F103单片机内部RTC实时时钟驱动程序中，我们讨论了STM32F103C8T6单片机内部RTC功能，该功能只有一个计数器，每1秒加1，没有年月日及时间寄存器，读取计数器的值后，需要使用软件计算出时间，才能实现日历、时钟功能，软件算法需要考虑历法中的闰年等特殊情况，因此，可得出结论：STM32F103系列内部RTC没有具体的起始时间，起始时间由软件算法确定；在前述的博文中，选择用UTC时间戳（以1970年1月1日00:00:00为开始时间），可以使程序通用性更强。

2.STM32F407系列内部RTC功能

该型号芯片是STM32具有完整RTC功能的代表，先看F407数据手册中关于RTC的描述：
在这里插入图片描述
这与F103不同，RTC具有完整的时间、日历寄存器，再看各寄存器的大小：

我们只需要关心年份寄存器的大小即可，由红框中的描述可知，年份只能表示2位十进制数，即0~99。日期寄存器上电复位值为0x0000 2101，对应00年1月1日星期1，还有时间寄存器（详见手册）复位值为0x0000 0000，对应时间为00:00:00。
接下来，我们使用STM32F407VGT6，首次上电后，不进行RTC的初始化配置，直接读取寄存器，通过串口输出，看看时间如何：
在这里插入图片描述

可看出时间确实是从00年1月1日00时00分00秒，星期一开始的，与手册一致。把时间设置为00-02-28 23:59:50，星期几忽略，看10秒后时间如何变化：
在这里插入图片描述
时间变成了2月29日，看来是把00年当作闰年处理；再把时间设置为01-02-28 23:59:50，星期几忽略，看10秒后时间如何变化：

时间变为3月1日，是平年。
测试发现，00~99之间可被4整除的年份都被当作闰年，其他年份为平年，不再贴图。

3.瑞萨R5F100内部RTC功能

R5F100FE是瑞萨RL78/G13系列较常用的芯片，对RTC功能的描述如下：
在这里插入图片描述
手册中直接说最长计数达到99年，再看年计数寄存器的描述：

这就比较明朗了，年是从00开始，最多到99，而且认为年份可整除4是闰年，与STM32F407相同。根据手册的描述，复位时，寄存器初始化为00年1月1日00:00:00，星期日（手册中说明，星期寄存器初始化为0，对应星期日）：
在这里插入图片描述
同样，把时间设置为00-02-28 23:59:50，星期几忽略，看10秒后时间如何变化：

时间变为2月29日，即00年当做闰年处理；再把时间设置为01-02-28 午夜，时间如何变化：

时间变为3月1日，是平年。
测试发现，00~99之间可被4整除的年份都被当作闰年，其他年份为平年，不再贴图。

4.时钟芯片DS1302

DS1302手册中描述如下，带闰年补偿功能，可到2100年：
在这里插入图片描述
再看相关寄存器，年寄存器只能表示BCD码格式的2位数，00~99年，如下图：

笔者的这份手册中，没有说明各寄存器的初始值是多少，我们通过读取寄存器的值来查看，和前述方法一样，不做任何设置，直接读取寄存器，通过串口输出：
在这里插入图片描述
可知DS1302在首次上电复位时，寄存器被初始化为00年1月1日00:00:00，星期一，与STM32F407相同。接下来，把时间设置为00-02-28 23:59:50，星期几忽略，看时间如何变化：

时间变成了2月29日，与STM32F407、R5F100FE一样，是把00年当作闰年处理；再把时间设置为01-02-28 23:59:50，星期几忽略，看时间如何变化：
在这里插入图片描述
时间变为3月1日，是平年。
测试发现，和STM32F407、R5F100FE一样，00~99之间可被4整除的年份都被当作闰年，其他年份为平年，不再贴图。

5.时钟芯片DS1307

D31307是IIC接口的设备，除此之外，与DS1302有非常多的相似之处，都有闰年补偿功能，可计时到2100年，以下是DS1307的主要寄存器：
在这里插入图片描述可看出，寄存器除了地址不同外，其他基本功能类似；在手册中有明确的说明，首次上电，寄存器被初始化为00年1月1日00:00:00，星期一，如下：

同样，把时间设置为00-02-28 23:59:50，星期几忽略，时间会切换为2月29日：
在这里插入图片描述
经测试，DS1307与DS1302、STM32F407以及R5F100FE一样，将00~99之间可被4整除的年份都被当作闰年，其他年份为平年，不再贴图。

三、总结

1.文中用到的设备，初始年份大多为00年，即四位年份yyyy格式的后两位，且当作闰年处理，如果是指1970年的话，1970年不是闰年；无论是单片机还是RTC专用芯片，没有一个手册中提到1970年1月1日这个时间，因此，说RTC功能的起始时间是1970-01-01 00:00:00的，不准确，也没有依据；认为单片机的RTC及时钟芯片时间从1970年1月1日00:00:00开始，是因为这个时间点是Unix时间戳的起始时间，在很多计算机系统和编程语言中被广泛使用；但RTC和时钟芯片的实际初始时间可能会因不同的硬件设备、制造商或系统设计而有所差异，因寄存器大小的限制，一般只计时0~99年的范围，而起始时间，实际上可由使用者自己规定；
2.对于类似STM32F103C8T6这样，RTC功能只有一个计数器，没有年月日时分秒这种时间寄存器的，需要由软件算法配合来计时，起始时间可以任意；
3.对于计时范围00~99年的设备，每4年为一个闰年，在前后100年范围内可用，但要注意的是，并不是每个整百年都是闰年，例如，2000年是闰年，但是1900年、2100年就不是闰年，因此这种情况不能单纯的将年份加1900或者2000处理，而是要经过特殊处理，可以看出，这些器件都是为本世纪设计的；如果时间来到下一世纪2100年，这些芯片没有升级换代，有程序员把00年直接当做2100年而且没经过特殊处理，是会出问题的；当然，有摩尔定律在，70多年后，这种情况是不会发生的，因为那时候这些芯片应该不存在了；
4.以上结论仅基于所述的种类有限的设备，经过测验得出，可能以偏概全了；如果有人做过更深入的研究，或者是做芯片相关功能设计的，欢迎批评指正。