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Linux内核 RTC时间架构
上一篇文章我们给大家讲解了基于瑞芯微rk3568平台芯片hym8563驱动的移植，本文给大家详细讲解Linux内核的时间子系统。
一、Linux 时间操作命令 ：date、hwclock
Linux时间有两个:
系统时间(Wall Time)， RTC时间。1）系统时间(WT)：
由Linux系统软件维持的时间，通过Linux命令date查看：
rk3568_r:/ # date Wed Sep 21 03:05:21 GMT 2022- 1
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获取到的就是系统时间。
2）RTC时间：
这个时间来自我们设备上的RTC芯片，通过Linux命令hwclock 可以读取：
rk3568_r:/ # hwclock Wed Sep 21 03:05:24 2022 0.000000 seconds- 1
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我们通过man查看date和hwclock的介绍：
命令说明
1）date
DESCRIPTION Display the current time in the given FORMAT, or set the system date.- 1
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2）hwclock
DESCRIPTION hwclock is a tool for accessing the Hardware Clock. It can: display the Hardware Clock time; set the Hardware Clock to a specified time; set the Hardware Clock from the System Clock; set the System Clock from the Hardware Clock; compensate for Hardware Clock drift; correct the System Clock timescale; set the kernel's time‐ zone, NTP timescale, and epoch (Alpha only); compare the System and Hardware Clocks; and predict future Hardware Clock values based on its drift rate. Since v2.26 important changes were made to the --hctosys function and the --direc‐ tisa option, and a new option --update-drift was added. See their respective descriptions below.- 1
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接下来，通过代码看下两者的关系。
二、RTC时间框架
框架如图：
从该架构可得：
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 class.c：驱动注册方式由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：将硬件时钟写给 wall time- 1
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下面我们从底层往上层来一步步分析。
1、rtc_class_ops 填充
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); };- 1
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实现：
static const struct rtc_class_ops hym8563_rtc_ops = { .read_time = hym8563_rtc_read_time, .set_time = hym8563_rtc_set_time, .alarm_irq_enable = hym8563_rtc_alarm_irq_enable, .read_alarm = hym8563_rtc_read_alarm, .set_alarm = hym8563_rtc_set_alarm, };- 1
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注册：
hym8563->rtc = devm_rtc_device_register(&client->dev, client->name, &hym8563_rtc_ops, THIS_MODULE);- 1
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成功的话log：
[ 0.758774] hym8563_probe()---565---- [ 0.760651] rtc-hym8563 5-0051: rtc information is invalid [ 0.761666] hym8563_rtc_read_time()---115----1-- [ 0.761681] hym8563_rtc_set_time()---129----1-- [ 0.764235] hym8563_rtc_read_time()---115----1-- [ 0.766425] hym8563_rtc_read_time()---115----1-- [ 0.767439] hym8563_rtc_read_time()---115----1-- [ 0.767619] rtc-hym8563 5-0051: rtc core: registered hym8563 as rtc0 [ 0.768634] hym8563_rtc_read_time()---115----1-- [ 0.768661] rtc-hym8563 5-0051: setting system clock to 2021-01-01 12:00:00 UTC (1609502400)- 1
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从log可得
5-0051： 5表示I2C通道5，0051表示从设备地址
rtc0 ：注册的rtc设备为rtc02、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);- 1
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函数功能：
- 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
3、RTC驱动注册函数devm_rtc_device_register()：
drivers/class.c struct rtc_device *devm_rtc_device_register(struct device *dev, const char *name, const struct rtc_class_ops *ops, struct module *owner) { struct rtc_device **ptr, *rtc; ptr = devres_alloc(devm_rtc_device_release, sizeof(*ptr), GFP_KERNEL); if (!ptr) return ERR_PTR(-ENOMEM); rtc = rtc_device_register(name, dev, ops, owner); if (!IS_ERR(rtc)) { *ptr = rtc; devres_add(dev, ptr); } else { devres_free(ptr); } return rtc; }- 1
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rtc_device_register（）定义如下
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\n", rtc->name, dev_name(&rtc->dev)); return rtc; }- 1
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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, };- 1
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4、硬件抽象层interface.c
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：drivers/interface.c 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; }- 1
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5、rtc在sysfs文件系统中的呈现
之前曾建立过名为rtc的class：
rtc_class = class_create(THIS_MODULE, "rtc");- 1
查看之：
# ls /sys/class/rtc/ rtc0 # ls -l /sys/class/rtc/ lrwxrwxrwx 1 root root 0 2021-01-01 12:00 rtc0 -> ../../devices/platform/fe5e0000.i2c/i2c-5/5-0051/rtc/rtc0- 1
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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/platform/fe5e0000.i2c/i2c-5/5-0051/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fe5e0000，控制器编号为5，RTC芯片作为slave端地址为0x51。
rtc0 设备属性：
drivers/rtc-sysfs.c void __init rtc_sysfs_init(struct class *rtc_class) { rtc_class->dev_attrs = rtc_attrs; } static struct attribute *rtc_attrs[] = { &dev_attr_name.attr, &dev_attr_date.attr, &dev_attr_time.attr, &dev_attr_since_epoch.attr, &dev_attr_max_user_freq.attr, &dev_attr_hctosys.attr, NULL, };- 1
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对应文件系统中的文件节点：
rk3568_r:/sys/class/rtc # cd rtc0/ rk3568_r:/sys/class/rtc/rtc0 # ls -l total 0 -r--r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 date -r--r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 dev lrwxrwxrwx 1 root root 0 2022-09-21 03:56 device -> ../../../5-0051 -r--r--r-- 1 root root 4096 2021-01-01 12:00 hctosys -rw-r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 max_user_freq -r--r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 name drwxr-xr-x 2 root root 0 2021-01-01 12:00 power -r--r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 since_epoch lrwxrwxrwx 1 root root 0 2022-09-21 03:56 subsystem -> ../../../../../../../class/rtc -r--r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 time -rw-r--r-- 1 root root 4096 2021-01-01 12:00 uevent -rw-r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 wakealarm drwxr-xr-x 2 root root 0 2021-01-01 12:00 wakeup8- 1
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6、rtc在proc文件系统中的呈现
之前曾rtc0设备加入到了/proc
drivers/class.c 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); }- 1
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查看之：
# cat /proc/driver/rtc rtc_time : 03:59:11 rtc_date : 2022-09-21 alrm_time : 12:00:00 alrm_date : 2021-01-02 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- 1
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信息来源：
rtc_proc_fops -->rtc_proc_open -->rtc_proc_show- 1
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三、WT时间和RTC时间同步问题
1）
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- 1
对应驱动代码：
hctosys.c (drivers\rtc) 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)\n", 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);- 1
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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。
2）瑞芯微时间操作
在瑞芯微的系统中，安卓部分程序其实最终也是依赖**/sys/class/rtc/rtc0** 下的文件节点实现时间管理功能的。
安卓程序会通过AlarmImpl::getTime、AlarmImpl::setTime()方法来获得和设置RTC时间：
frameworks/base/services/core/jni/com_android_server_AlarmManagerService.cpp- 1
122 int AlarmImpl::getTime(int type, struct itimerspec *spec) 123 { 124 if (static_cast<size_t>(type) > ANDROID_ALARM_TYPE_COUNT) { 125 errno = EINVAL; 126 return -1; 127 } 128 129 return timerfd_gettime(fds[type], spec); 130 } 131 132 int AlarmImpl::setTime(struct timeval *tv) 133 { 134 struct rtc_time rtc; 135 struct tm tm, *gmtime_res; 136 int fd; 137 int res; 138 139 res = settimeofday(tv, NULL); 140 if (res < 0) { 141 ALOGV("settimeofday() failed: %s\n", strerror(errno)); 142 return -1; 143 } 144 145 if (rtc_id < 0) { 146 ALOGV("Not setting RTC because wall clock RTC was not found"); 147 errno = ENODEV; 148 return -1; 149 } 150 151 android::String8 rtc_dev = String8::format("/dev/rtc%d", rtc_id); 152 fd = open(rtc_dev.string(), O_RDWR); 153 if (fd < 0) { 154 ALOGV("Unable to open %s: %s\n", rtc_dev.string(), strerror(errno)); 155 return res; 156 } 157 158 gmtime_res = gmtime_r(&tv->tv_sec, &tm); 159 if (!gmtime_res) { 160 ALOGV("gmtime_r() failed: %s\n", strerror(errno)); 161 res = -1; 162 goto done; 163 } 164 165 memset(&rtc, 0, sizeof(rtc)); 166 rtc.tm_sec = tm.tm_sec; 167 rtc.tm_min = tm.tm_min; 168 rtc.tm_hour = tm.tm_hour; 169 rtc.tm_mday = tm.tm_mday; 170 rtc.tm_mon = tm.tm_mon; 171 rtc.tm_year = tm.tm_year; 172 rtc.tm_wday = tm.tm_wday; 173 rtc.tm_yday = tm.tm_yday; 174 rtc.tm_isdst = tm.tm_isdst; 175 res = ioctl(fd, RTC_SET_TIME, &rtc); 176 if (res < 0) 177 ALOGV("RTC_SET_TIME ioctl failed: %s\n", strerror(errno)); 178 done: 179 close(fd); 180 return res; 181 }- 1
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系统上电后，会先读取文件hctosys中的值，来决定是否将RTC时间写入到wall time：
255 static const char rtc_sysfs[] = "/sys/class/rtc"; 256 257 static bool rtc_is_hctosys(unsigned int rtc_id) 258 { 259 android::String8 hctosys_path = String8::format("%s/rtc%u/hctosys", 260 rtc_sysfs, rtc_id); 261 FILE *file = fopen(hctosys_path.string(), "re"); 262 if (!file) { 263 ALOGE("failed to open %s: %s", hctosys_path.string(), strerror(errno)); 264 return false; 265 } 266 267 unsigned int hctosys; 268 bool ret = false; 269 int err = fscanf(file, "%u", &hctosys); 270 if (err == EOF) 271 ALOGE("failed to read from %s: %s", hctosys_path.string(), 272 strerror(errno)); 273 else if (err == 0) 274 ALOGE("%s did not have expected contents", hctosys_path.string()); 275 else 276 ret = hctosys; 277 278 fclose(file); 279 return ret; 280 }- 1
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269行，就是读取文件hctosys中的值，值为1则允许rtc时间写入到wall time，为0或者其他错误则不允许。
因为rtc只要有纽扣电池供电，就会有计时功能，
这是就是为什么，我们的设备关机并重启后，仍然能够显示正确的时间的原因。
【注意目录/sys/class/rtc/下文件是需要有访问权限的】
瑞芯微对文件权限的控制由以下文件提供：device/rockchip/common/sepolicy/vendor/genfs_contexts- 1
只需要按照对应的格式增加对应文件信息即可。四、欢迎交流
一口君建立了瑞芯微的技术交流群，
大家工作中用到瑞芯微系列soc的，可以一起交流，
加群后台留言即可。
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- 原文地址：https://blog.csdn.net/daocaokafei/article/details/127002067
