Linux系统时间不准问题分析

CPU：PowerPC P1020RDB-PC OS： Linux-2.6.35   问题：系统跑一段时间后，执行date和hwclock分别获取系统时钟和rtc时钟，出现差异， 差异为sysclk时间比rtc每分钟慢0.6秒。误差是比较大了。   一、问题分析 1.      转换误差 2.      时钟不稳定 3.      时钟频率不对   二、结构分析 下面是CPU内部的核心时钟组成
如上，Core Time Base（TBU+TBL）是一个时钟计数器，里面存放的cycles随着CCB Clock分频出来的时钟一直递增，cycles = 系统时间*HZ。 DEC 作为时钟事件的中断触发，按照时钟频率递减，减到0后产生Decrementer Event事件，可以在中断触发时由程序写入初始值，也可以设置为Auto-Reload DECAR的值。这一块还没具体分析有什么用。 上图中的RTC并没有使用。   当前系统参数 外部时钟        =  66.0M CCB Clock        =  400M SYSCLK          =  800M 从CCB 8分频出来给Core Time Base和 DEC 的时钟为 50M     接下来来看一下Linux系统内时间管理的内容  clock source用于为linux内核提供一个时间基线，实际上就是一个时间相关的结构体，如果你用linux的date命令获取当前时间，内核会读取当前的clock source，转换并返回合适的时间单位给用户空间。在硬件层，它通常实现为一个由固定时钟频率驱动的计数器（上面的TimeBase），计数器只能单调地增加，直到溢出为止。系统启动时，内核通过硬件RTC获得当前时间，并设置到计数器内，在这以后，内核通过选定的时钟源更新实时时间信息（墙上时间），而不再读取RTC的时间。 clock source可以有多个，系统启动时会检查所有clocksource，然后将精度最好的时钟源设为当前时钟源。每个时钟源的精度由驱动它的时钟频率决定，可以用如下命令查看clock source： [root@t:home]#cat/sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource timebase [root@t:home]#cat/sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource timebase 看一下我们系统中timebase时钟源的定义 time.c (arch/powerpc/kernel) static struct clocksource clocksource_timebase = {          .name         = "timebase",          .rating      = 400,          .flags        = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,          .mask         = CLOCKSOURCE_MASK(64),          .shift        = 22,          .mult         = 0,        /*To be filled in */          .read         = timebase_read, }; .read = timebase_read，该函数就是读取TB的计数值 timebase_read是通过汇编来实现的。 static cycle_t timebase_read(structclocksource *cs) {          return(cycle_t)get_tb(); } static inline u64 get_tb(void) {          returnmftb(); } #define mftbu()                  ({unsigned long rval;                                     asm volatile("mftbu %0" :"=r" (rval)); rval;})   三、具体分析 1.转换误差 现在我们可以获取到cycles的计数值，也知道了HZ=50M，那么根据公式很容易就得到系统时间了。 times_elapse= cycles_interval / frequency  但是，因为内核中使用除法不太方便，所以将这个公式转换成了乘法与移位操作 times_elapse = cycles_interval * mult >> shift 关于这个转换有个专门的内核函数，可以由frequency和精度值计算出mult和shift 后面再贴。 从上面clocksource_timebase的定义已经看到shift=22， mult=0(后续计算) 了，看一下mult的计算。 在clocksource_init 函数中找到mult的初始化 clock->mult= clocksource_hz2mult(tb_ticks_per_sec,clock->shift); 打印出来这个值为clock->mult =83886080 现在shift和mult的值都有了，那我们来验证一下转换的误差 就以times_elapse = 1s为例，则cycles_interval = frequency = 50000000 按照公式： times_elapse = cycles_interval * mult >> shift >>> (50000000*83886080)>>22 1000000000L = 1s 由此可见，将除法转换成乘法并未带来误差。   2.时钟频率不对   前面的计算都是按照CCB Clock 8分频50M来计算，但是这个50M是否准确？ 那就看看这个50M到底从哪来的 time_init (/arch/powerpc/kernel/time.c) -->ppc_md.calibrate_decr();  == generic_calibrate_decr(void) -->get_freq("timebase-frequency",1, &ppc_tb_freq) 此处获取到的ppc_tb_freq = 50M get_freq是从设备树中读取的，但实际的设备树中并没有timebase-frequency这个选项 最终找到uboot中 fdt.c (arch/powerpc/cpu/mpc85xx) void ft_cpu_setup(void *blob, bd_t *bd) {          do_fixup_by_prop_u32(blob,"device_type", "cpu", 4,                    "timebase-frequency",get_tbclk(), 1); } 由do_fixup_by_prop_u32将get_tbclk()的值填入"timebase-frequency"，原来是uboot创建了这个选项，继续查找50M的来历，看看get_tbclk函数 à #ifndef CONFIG_SYS_FSL_TBCLK_DIV #define CONFIG_SYS_FSL_TBCLK_DIV 8 #endif unsigned long get_tbclk(void) {      unsigned long tbclk_div = CONFIG_SYS_FSL_TBCLK_DIV;        return (gd->bus_clk + (tbclk_div >> 1)) / tbclk_div; } àget_clocks      gd->bus_clk = sys_info.freqSystemBus;      àget_sys_info               unsigned long sysclk = CONFIG_SYS_CLK_FREQ;      sysInfo->freqSystemBus= sysclk;      sysInfo->freqSystemBus *= (in_be32(&gur->rcwsr[0]) >>25) & 0x1f;   上面代码可以看出get_tbclk()的原始值是从CONFIG_SYS_CLK_FREQ得来的 cpu_p1020.h(include/configs)中的定义 #define CONFIG_SYS_CLK_FREQ     66666666 而实际上外部时钟是66.0M，原来是配置文件指定错了。     系统实际参数 外部时钟        =  66.0M CCB Clock        =  396M SYSCLK          =  792M DDR                   =  396M ppc_tb_freq    =  49500000 clock->mult     =  84733414 clock->shift       =  22   重新计算一下转换误差： times_elapse = cycles_interval * mult >> shift >>> (49500000*84733414)>>22 999999998L 误差为每秒2ns，已经很小了     附：内核中由除法转换成乘法的函数 clocksource.c(kernel/time) /** *clocks_calc_mult_shift - calculate mult/shift factors for scaled math of clocks *@mult: pointer to mult variable *@shift: pointer to shift variable *@from: frequency to convert from *@to: frequency to convert to *@minsec: guaranteed runtime conversionrange in seconds * *The function evaluates the shift/mult pair for the scaled math *operations of clocksources and clockevents. * *@to and @from are frequency values in HZ. For clock sources @to is *NSEC_PER_SEC == 1GHz and @from is the counter frequency. For clock *event @to is the counter frequency and @from is NSEC_PER_SEC. * *The @minsec conversion range argument controls the time frame in *seconds which must be covered by the runtime conversion with the *calculated mult and shift factors. This guarantees that no 64bit *overflow happens when the input value of the conversion is *multiplied with the calculated mult factor. Larger ranges may *reduce the conversion accuracy by chosing smaller mult and shift *factors. */ void clocks_calc_mult_shift(u32 *mult, u32*shift, u32 from, u32 to, u32 minsec) { u64tmp; u32sft, sftacc= 32; /* * Calculate the shift factor which is limitingthe conversion * range: */ tmp= ((u64)minsec * from) >> 32; while(tmp) { tmp>>=1; sftacc--; } /* * Find the conversion shift/mult pair whichhas the best * accuracy and fits the maxsec conversionrange: */ for(sft = 32; sft > 0; sft--) { tmp= (u64) to << sft; do_div(tmp,from); if((tmp >> sftacc) == 0) break; } *mult= tmp; *shift= sft; }

  使用举例： #include #include typedef unsigned int u32; typedef unsigned long long u64; #define NSEC_PER_SEC 1000000000L void clocks_calc_mult_shift(u32 *mult, u32*shift, u32 from, u32 to, u32 maxsec) { u64 tmp; u32 sft, sftacc= 32; /* * * Calculate the shift factor which is limiting the conversion * * range: * */ tmp = ((u64)maxsec * from) >> 32; while (tmp) { tmp >>=1; sftacc--; } /* * * Find the conversion shift/mult pair which has the best * * accuracy and fits the maxsec conversion range: * */ for (sft = 32; sft > 0; sft--) { tmp = (u64) to << sft; tmp += from / 2; //do_div(tmp, from); tmp = tmp/from; if ((tmp >> sftacc) == 0) break; } *mult = tmp; *shift = sft; } int main() { u32 tsc_mult; u32 tsc_shift ; u32 tsc_frequency = 2127727000/1000; //TSC frequency(KHz) clocks_calc_mult_shift(&tsc_mult,&tsc_shift,tsc_frequency,NSEC_PER_SEC/1000,600*1000);//NSEC_PER_SEC/1000是因为TSC的注册是clocksource_register_khz fprintf(stderr,"mult = %d shift = %d ",tsc_mult,tsc_shift); return 0; }

      http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-3909829.html