原创 RTEMS系统时钟原理

作者，下家山(转载请注明作者及出处，请尊重原创)

     每个系统都有一种时钟来支持，常常听到的某某系统支持“时分复用”（亦或叫“轮转调度”），TCP/IP中超时重传，我们每天用的手机能准确计算年，月，日，时，分，秒，还有Linux中常看到的Jifferies。。。。，这些都是通过系统时钟来实现的。

二：从RTEMS4.6.99.3-GP32说起

当然，这种系统时钟是需要硬件支持，象rtems46.99.3中的GP32 bsp就是通过2400的timer4来实现的。（注意，既然系统把timer4用来做系统时钟，timer4就不能用来做其他的定时操作了）

那么，rtems中是如何实现这种系统时钟的呢？下面，我以rtems4.6.99.3中的gp32为例来阐述这个问题：（注意，gp32是针对sumsung的2400，我这里以sumsung的2410讲解）

RTEMS中如果要用到时钟，

      首先，需要在应用程序中定义系统配置文件。如，在GP32自带的例子ticker中，（../testsuites/samples/ticker/system.h）就有如下语句：

      #define CONFIGURE_APPLICATION_NEEDS_CLOCK_DRIVER

      系统就根据这条语句启动系统时钟。那么系统是怎么根据这条语句启动系统时钟的呢？请看其脉络：

三：RTEMS4.6.99.3-GP32启动系统时钟代码流程

通过一层层的调用，系统时钟已布置好了。但，至此，仅仅是理清了整个rtems代码的组织方式。那么，rtems是怎样用2400的timer4实现系统时钟的呢？

四：关于TICK

这就涉及到定时器了的原理了。

定时器是通过中断来实现的，在函数Clock_driver_support_initialize_hardware()中，通过设置2400的timer4的相关寄存器。（因为，我在2410上调试的，所以函数Clock_driver_support_initialize_hardware()中我加了rTCFG0 = rTCFG0 & ~(0xffffff) | 0x000f00 ;）即可定义系统多长时间tick一次，也即rtems的时间精度（粒度）。其中，BSP_Configuration.microseconds_per_tick就是在应用程序中配置的值，单位是微秒。如果，希望系统的精度达到1毫秒，则应定义BSP_Configuration.microseconds_per_tick = 1000。在pppd例程中定义的是BSP_Configuration.microseconds_per_tick = 10000，即10ms。因此，可知系统每10ms发生一次tick。而在ticker例程中，并没有定义CONFIGURE_MICROSECONDS_PER_TICK，此时系统采用默认配置，其值为10ms。（参考confdefs.h）。

By 下家山 Q群 75303301        上海松江文汇路928号258室    松江大学城   

我们每天用电脑，但想没想过电脑右下角的时钟是这么实现计时的呢？还有，我们每天用的手机其时间是这么实现的呢？下面，通过rtems中的ticker例程来剖析其中奥秘。

在ticker例程的init.c中，定义了一个rtems_time_of_day类型的结构体time，并初始化为    time.year   = 1988;

  time.month  = 12;

  time.day    = 31;

  time.hour   = 9;

  time.minute = 0;

  time.second = 0;

  time.ticks  = 0;

接着，通过调用rtems_clock_set函数把time结构体传给内核，作为系统时钟的时间基准。内核中，根据先前定义的CONFIGURE_MICROSECONDS_PER_TICK换算成“每秒产生的tick数”进行计数。以CONFIGURE_MICROSECONDS_PER_TICK = 10000为例，则系统时钟“每秒产生的tick数”为100。因此，系统时钟每tick一次，time.ticks加1，当达到100时向秒进位，即time.second加1（同时，time.ticks复位到0）。Time.second计数到60时又向前进一，即time.minute 加1（同时，time.second复位到0）。以此类推，直到time.year,这个就不用我多说了。

而，系统通过调用rtems_clock_get函数即可获得当前时间值。这样一个系统时钟就运行起来了。

 集以上所说，其实还有一个根本性的问题，不知有人产生过疑问没有？

追本逐末，时钟的根源是tick，那么tick是这么产生的呢？

六：TICK的发生

Tick是通过中断实现的。

回到上面的脉络图，在函数Install_clock中调用的Clock_driver_support_install_isr这个函数，就是注册时钟中断号。Clock_driver_support_install_isr这个函数调用了系统函数BSP_install_rtems_irq_handler，而BSP_install_rtems_irq_handler传给内核一个很重要的参数clock_isr_data，它是个结构体，内容如下：

rtems_irq_connect_data clock_isr_data = {BSP_INT_TIMER4,

                                         (rtems_irq_hdl)Clock_isr,clock_isr_on, clock_isr_off,clock_isr_is_on,

                                         3,     /* unused for ARM cpus */

                                         0 };   /* unused for ARM cpus */

这个结构体有两个很重要的成员，即BSP_INT_TIMER4和Clock_isr。前者告诉BSP_install_rtems_irq_handler函数，要注册的中断源是timer4；后者是一个中断句柄（句柄就是函数的入口地址），用中断术语描述就叫ISR（interrupt service routine中断服务例程），当timer4中断发生时，即跳到Clock_isr执行。我们再来看Clock_isr里面的内容。

rtems_isr Clock_isr(rtems_vector_number vector)

{

  Clock_driver_ticks += 1;

  Clock_driver_support_at_tick();

  rtems_clock_tick();

}/*为了简洁起见，我去掉了注释和非执行语句*/

函数Clock_driver_support_at_tick();主要完成中断寄存器的复位清零动作，不然第二次中断就不能发生了。

全局变量Clock_driver_ticks就是我们要找的答案，看到没有，每发生一次中断，它的值加1。

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  _TOD_Current.ticks++; \

  _Watchdog_Ticks_since_boot++

注意了，这里也有个全局变量加1的动作，其实，这才是我们要找的真正的答案。系统时钟实现计时就是通过取当前tick值_TOD_Current.ticks。

这里又会产生一个疑惑，在发生中断时两个全局变量都做了加1的动作，那么time.ticks计数到100后向前进1而自己清零的动作在哪里呢？这个问题说来又话长了，我这里只告诉大家其代码在哪些位置，具体实现你们去琢磨。

   函数rtems_initialize_executive_early(cpukit\sapi\src\exinit.c)-à _TOD_Handler_initialization(cpukit\score\src\coretod.c)。

七：定时器实现TICK计数

   RTEMS中时间的准确性依赖于tick的实现，而tick是依赖于定时器4（timer4）的实现，timer4每发生一次中断tick实现加1的计数。Timer4是怎么实现定时器的中断的呢?

   回到上面的脉络图

   #define Clock_driver_support_initialize_hardware() \

  do { \

        uint32_t cr; \

        uint32_t freq,m,p,s; \

        /*set prescale to 15*/ \       

        rTCFG0 = rTCFG0 & ~(0xffffff) | 0x000f00 ; \

        /* set MUX for Timer4 to 1/16 */ \

        cr=rTCFG1 & 0xFFF0FFFF; \

        rTCFG1=(cr | (3<<16)); \

        freq = get_PCLK(); \

        /* set TIMER4 counter, input freq=PLCK/16/16Mhz*/ \

        freq = (freq /16)/16; \

        rTCNTB4 = ((freq / 1000) * BSP_Configuration.microseconds_per_tick) / 1000; \

        /*unmask TIMER4 irq*/ \

        rINTMSK&=~BIT_TIMER4; \

        /* start TIMER4 with autoreload */ \

        cr=rTCON & 0xFF8FFFFF; \

        rTCON=(cr|(0x6<<20)); \

        rTCON=(cr|(0x5<<20)); \

    } while (0)

   要弄懂定时器的工作原理，需要搞清楚三个量

   定时器的输入频率 freq

   定时器的缓冲计数器TCNTB（内部有一个同名的递减计数器TCNT）

   定时器的计数比较器TCMPB（内部有一个同名的递减计数器TCMP,Timer4中没有这个寄存器）

   定时器有个输入频率，这个输入频率的来源是PCLK（PCLK的频率来自与板子上的晶振），通过rTCFG0，rTCFG1两个寄存器即可设置PCLK的分频参数（针对s3c2410来说，PCLK有50.7M，不能把这么高的频率输入给定时器，而要进行分频），之后即可得到定时器4的输入频率freq = PCLK/16/16。以PCLK= 50.7M记，freq = 198046HZ，即1秒发生198046次脉冲。

   定时器的计数器TCNT根据脉冲频率计数，每发生一次脉冲减1；

   TCNT递减到0，则触发中断（TCNT从TCNTB中装载初始值，开始下一轮计数）。

   定时公式：

   T  = { 1 / freq} * TCNTB

   如果BSP_Configuration.microseconds_per_tick = 10000，则刚好能实现每10ms发生一次中断（tick）。  

   注意：TCMPB在调制脉冲（PWM）时才有用。

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