Linux时间系统之RTC时间（转）

一、概述
不知道有没有“时间系统”的说法，我们暂且把它作为Linux中和时间相关的内容的统称吧。
Linux时间有两个，系统时间(Wall Time)，RTC时间。
系统时间(WT)：由Linux系统软件维持的时间，比如command date：
$ date
2017年 02月 25日 星期六 16:58:10 CST

获取到的就是系统时间。
RTC时间：这个时间来自我们设备上的RTC芯片，通过command hwclock 可以读取：
# hwclock -r --> root权限才可以运行
2017年02月25日 星期六 17时01分57秒 -0.906462 seconds

我们通过man查看hwclock的介绍：
hwclock - query or set the hardware clock (RTC)

接下来，通过代码看下两者的关系。

二、WT时间和RTC时间
WT时间来自于RTC时间，流程是：
上电-->RTC驱动加载-->从RTC同步时间到WT时间

上代码：
hctosys.c (drivers tc)
static int __init rtc_hctosys(void)
{
struct timespec tv = {
.tv_nsec = NSEC_PER_SEC >> 1,
};

err = rtc_read_time(rtc, &tm);
err = do_settimeofday(&tv);
dev_info(rtc->dev.parent,
"setting system clock to "
"%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d UTC (%u) ",
tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,
tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec,
(unsigned int) tv.tv_sec);
}
late_initcall(rtc_hctosys);

late_initcall说明系统在启动流程的后面才会调用该函数去同步时间。关于late_initcall可见最后PS。
接下来从底层到上层进行梳理。

三、RTC时间框架
框架如图：

注：图中hwclock.c笔误，实为hctosys.c

Hardware：提供时间信息(time&alarm)，通过一定的接口(比如I2C)和
RTC Driver：进行交互。Driver完成硬件的访问功能，提供访问接口，以驱动的形式驻留在系统。注册方式由
class.c：文件提供。驱动注册成功后会构建rtc_device结构体表征的rtc设备，并把rtc芯片的操作方式存放到rtc设备的ops成员中
interface.c：文件屏蔽硬件相关的细节，向上提供统一的获取/设置时间或Alarm的接口
rtc-lib.c：文件提供通用的时间操作函数，如rtc_time_to_tm、rtc_valid_tm等
rtc-dev.c：文件在/dev/目录下创建设备节点供应用层访问，如open、read、ioctl等，访问方式填充到file_operations结构体中
hctosys.c/rtc-sys.c/rtc-proc.c：看名字就知道其作用

接下来从驱动一层一层看下

四、RTC驱动
驱动主要工作是填充rtc_class_ops结构体，结构体描述了RTC芯片能够提供的所有操作方式：
struct rtc_class_ops {
int (*open)(struct device *);
void (*release)(struct device *);
int (*ioctl)(struct device *, unsigned int, unsigned long);
int (*read_time)(struct device *, struct rtc_time *);
int (*set_time)(struct device *, struct rtc_time *);
int (*read_alarm)(struct device *, struct rtc_wkalrm *);
int (*set_alarm)(struct device *, struct rtc_wkalrm *);
int (*proc)(struct device *, struct seq_file *);
int (*set_mmss)(struct device *, unsigned long secs);
int (*read_callback)(struct device *, int data);
int (*alarm_irq_enable)(struct device *, unsigned int enabled);
};

实现：
static const struct rtc_class_ops test_rtc_ops = {
.read_time = test_rtc_read_time,
.set_time = test_rtc_set_time,
.read_alarm = test_rtc_read_alarm,
.set_alarm = test_rtc_set_alarm,
.ioctl = test_rtc_ioctl,
.proc = test_rtc_proc
};

注册：
rtc_device_register(name, dev, &test_rtc_ops, THIS_MODULE);

成功的话log：

[ 1.531114] test_rtc_init Enter.
[ 1.531126] bus: 'i2c': add driver test_rtc
[ 1.531189] test_rtc_probe Enter.
[ 1.533990] test_rtc_read_time Enter.
[ 1.534527] test_rtc_read_time Exit.
[ 1.534537] test_rtc_read_alarm Enter.
[ 1.534546] test_rtc_read_alarm Exit.
[ 1.534556] test_rtc_read_time Enter.
[ 1.535083] test_rtc_read_time Exit.
[ 1.535237] test_rtc 2-0051: rtc core: registered test_rtc as rtc0
[ 1.535250] test_rtc_probe Exit.

五、class.c和RTC驱动注册
class.c文件在RTC驱动注册之前开始得到运行：
static int __init rtc_init(void)
{
rtc_class = class_create(THIS_MODULE, "rtc");
rtc_class->suspend = rtc_suspend;
rtc_class->resume = rtc_resume;
rtc_dev_init();
rtc_sysfs_init(rtc_class);
return 0;
}
subsys_initcall(rtc_init);

完成：
1、创建名为rtc的class
2、提供PM相关接口suspend/resume
3、rtc_dev_init()：动态申请/dev/rtcN的设备号
4、rtc_sysfs_init()：rtc类具有的device_attribute属性

接着看RTC驱动注册：
struct rtc_device *rtc_device_register(const char *name, struct device *dev,
const struct rtc_class_ops *ops,
struct module *owner)
{
struct rtc_device *rtc;
struct rtc_wkalrm alrm;
int id, err;

// 1、Linux支持多个RTC设备，所以需要为每一个设备分配一个ID
// 对应与/dev/rtc0，/dev/rtc1，，，/dev/rtcN
id = ida_simple_get(&rtc_ida, 0, 0, GFP_KERNEL);

// 2、创建rtc_device设备(对象)并执行初始化
rtc = kzalloc(sizeof(struct rtc_device), GFP_KERNEL);
rtc->id = id;
rtc->ops = ops; // 2.1 对应RTC驱动填充的test_rtc_ops
rtc->owner = owner;
rtc->irq_freq = 1;
rtc->max_user_freq = 64;
rtc->dev.parent = dev;
rtc->dev.class = rtc_class;// 2.2 rtc_init()创建的rtc_class
rtc->dev.release = rtc_device_release;

// 2.3 rtc设备中相关锁、等待队列的初始化
mutex_init(&rtc->ops_lock);
spin_lock_init(&rtc->irq_lock);
spin_lock_init(&rtc->irq_task_lock);
init_waitqueue_head(&rtc->irq_queue);

// 2.4 Init timerqueue：我们都知道，手机等都是可以设置多个闹钟的
timerqueue_init_head(&rtc->timerqueue);
INIT_WORK(&rtc->irqwork, rtc_timer_do_work);
// 2.5 Init aie timer：alarm interrupt enable，RTC闹钟中断
rtc_timer_init(&rtc->aie_timer, rtc_aie_update_irq, (void *)rtc);
// 2.6 Init uie timer：update interrupt，RTC更新中断
rtc_timer_init(&rtc->uie_rtctimer, rtc_uie_update_irq, (void *)rtc);
/* Init pie timer：periodic interrupt，RTC周期性中断 */
hrtimer_init(&rtc->pie_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
rtc->pie_timer.function = rtc_pie_update_irq;
rtc->pie_enabled = 0;

/* Check to see if there is an ALARM already set in hw */
err = __rtc_read_alarm(rtc, &alrm);

// 3、如果RTC芯片中设置了有效的Alarm，则初始化：加入到rtc->timerqueue队列中
if (!err && !rtc_valid_tm(&alrm.time))
rtc_initialize_alarm(rtc, &alrm);

// 4、根据name参数设置rtc的name域
strlcpy(rtc->name, name, RTC_DEVICE_NAME_SIZE);
// 5、设置rtc的dev成员中的name域
dev_set_name(&rtc->dev, "rtc%d", id);

// 6、/dev/rtc0的rtc作为字符设备进行初始化
// rtc_dev_prepare-->cdev_init(&rtc->char_dev, &rtc_dev_fops);
rtc_dev_prepare(rtc);

// 7、添加rtc设备到系统
err = device_register(&rtc->dev);

// 8、rtc设备作为字符设备添加到系统
// rtc_dev_add_devicec-->dev_add(&rtc->char_dev, rtc->dev.devt, 1)
// 然后就存在/dev/rtc0了
rtc_dev_add_device(rtc);
rtc_sysfs_add_device(rtc);
// 9、/proc/rtc
rtc_proc_add_device(rtc);

dev_info(dev, "rtc core: registered %s as %s ",
rtc->name, dev_name(&rtc->dev));

return rtc;
}

有了/dev/rtc0后，应用层就可以通过open/read/ioctl操作RTC设备了，对应与内核的file_operations：
static const struct file_operations rtc_dev_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = no_llseek,
.read = rtc_dev_read,
.poll = rtc_dev_poll,
.unlocked_ioctl = rtc_dev_ioctl,
.open = rtc_dev_open,
.release = rtc_dev_release,
.fasync = rtc_dev_fasync,
};

六、硬件抽象层
硬件抽象，即屏蔽具体的硬件细节，为上层用户提供统一的调用接口，使用者无需关心这些接口是怎么实现的。
以RTC访问为例，抽象的实现位于interface.c文件，其实现基于class.c中创建的rtc_device设备。
实现原理，以rtc_set_time为例：
int rtc_set_time(struct rtc_device *rtc, struct rtc_time *tm)
{
int err;
// 1、参数检测
err = rtc_valid_tm(tm);

err = mutex_lock_interruptible(&rtc->ops_lock);
if (err)
return err;

// 2、调用rtc_device中ops结构体的函数指针
// ops结构体的函数指针已经在RTC驱动中被赋值
if (!rtc->ops)
err = -ENODEV;
else if (rtc->ops->set_time)
err = rtc->ops->set_time(rtc->dev.parent, tm);
mutex_unlock(&rtc->ops_lock);
/* A timer might have just expired */
schedule_work(&rtc->irqwork);
return err;
}

七、rtc在文件系统中的呈现
1、rtc在sysfs
之前曾建立过名为rtc的class：

rtc_class = class_create(THIS_MODULE, "rtc");
查看之：

# ls /sys/class/rtc/
rtc0
# ls -l /sys/class/rtc/
lrwxrwxrwx root root 2014-01-02 16:51 rtc0 -> ../../devices/ff660000.i2c/i2c-2/2-0051/rtc/rtc0

我们系统中只有一个RTC，所以编号为rtc0。
同时发现rtc0文件为指向/sys/devices/ff660000.i2c/i2c-2/2-0051/rtc/rtc0的符号链接，RTC芯片是I2C接口，所以rtc0挂载在I2C的总线上，总线控制器地址ff660000，控制器编号为2，RTC芯片作为slave端地址为0x51。
rtc0设备属性：
void __init rtc_sysfs_init(struct class *rtc_class)
{
rtc_class->dev_attrs = rtc_attrs;
}
static struct device_attribute rtc_attrs[] = {
__ATTR(name, S_IRUGO, rtc_sysfs_show_name, NULL),
__ATTR(date, S_IRUGO, rtc_sysfs_show_date, NULL),
__ATTR(time, S_IRUGO, rtc_sysfs_show_time, NULL),
__ATTR(since_epoch, S_IRUGO, rtc_sysfs_show_since_epoch, NULL),
__ATTR(max_user_freq, S_IRUGO | S_IWUSR, rtc_sysfs_show_max_user_freq,
rtc_sysfs_set_max_user_freq),
__ATTR(hctosys, S_IRUGO, rtc_sysfs_show_hctosys, NULL),
{ },
};

查看之：

ls -l /sys/class/rtc/rtc0/
-r--r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 date
-r--r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 dev
lrwxrwxrwx root root 2014-01-02 16:51 device -> ../../../2-0051
-r--r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 hctosys
-rw-r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 max_user_freq
-r--r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 name
drwxr-xr-x root root 2014-01-02 16:48 power
-r--r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 since_epoch
lrwxrwxrwx root root 2014-01-02 16:51 subsystem -> ../../../../../../class/rtc
-r--r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 time
-rw-r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:48 uevent
-rw-r--r-- root root 4096 2014-01-02 16:51 wakealarm
2、rtc在proc
之前曾rtc0设备加入到了/proc

rtc_device_register
--->rtc_proc_add_device(rtc);

void rtc_proc_add_device(struct rtc_device *rtc)
{
if (is_rtc_hctosys(rtc))
proc_create_data("driver/rtc", 0, NULL, &rtc_proc_fops, rtc);
}

查看之：
# cat /proc/driver/rtc
rtc_time : 17:19:53
rtc_date : 2014-01-02
alrm_time : 00:00:00
alrm_date : 1970-01-01
alarm_IRQ : no
alrm_pending : no
update IRQ enabled : no
periodic IRQ enabled : no
periodic IRQ frequency : 1
max user IRQ frequency : 64
24hr : yes

信息来源：
rtc_proc_fops
-->rtc_proc_open
-->rtc_proc_show

PS：
关于late_initcall
kernel中__init类型函数都位于.init.text段中，对应的在.initcall.init段中保存相应的函数指针。系统在启动过程中，根据定义在段中的等级值(0~7)从低到高依次执行。定义：

init.h (includelinux)

#define pure_initcall(fn) __define_initcall(fn, 0)

#define core_initcall(fn) __define_initcall(fn, 1)
#define core_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 1s)
#define postcore_initcall(fn) __define_initcall(fn, 2)
#define postcore_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 2s)
#define arch_initcall(fn) __define_initcall(fn, 3)
#define arch_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 3s)
#define subsys_initcall(fn) __define_initcall(fn, 4)
#define subsys_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 4s)
#define fs_initcall(fn) __define_initcall(fn, 5)
#define fs_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 5s)
#define rootfs_initcall(fn) __define_initcall(fn, rootfs)
#define device_initcall(fn) __define_initcall(fn, 6)
#define device_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 6s)
#define late_initcall(fn) __define_initcall(fn, 7)
#define late_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 7s)

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