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Linux驱动 | Linux内核 RTC时间架构-深入linux内核架构

来源：Ghost系统之家浏览：时间：2023-04-13 11:18:27

Linux驱动 | Linux内核 RTC时间架构

作者：土豆居士 2022-10-08 11:57:30系统 Linux 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。

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:/ Wed Sep 21 03:05:21 GMT 2022

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:/ Wed Sep 21 03:05:24 20220.000000 seconds

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.

2）hwclock

DESCRIPTION hwclockisa 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 theSystemClock;settheSystem Clock from the Hardware Clock; compensate for Hardware Clock drift; correct the System Clock timescale; setthekernel'stime‐ zone,NTPtimescale,andepoch(Alphaonly);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‐ tisaoption,andanewoption--update-drift was added.See their respective descriptions below.

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

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);};

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,};

hym8563->rtc = devm_rtc_device_register(&client->dev, client->name,&hym8563_rtc_ops, THIS_MODULE);

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)

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rtc0。

2、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);

函数功能：

创建名为rtc的class提供PM相关接口suspend/resumertc_dev_init()：动态申请/dev/rtcN的设备号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.cstruct 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;}

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;id = ida_simple_get(&rtc_ida, 0, 0, GFP_KERNEL); rtc = kzalloc(sizeof(struct rtc_device), GFP_KERNEL);rtc->id = id;rtc->ops = ops; rtc->owner = owner;rtc->irq_freq = 1;rtc->max_user_freq = 64;rtc->dev.parent = dev;rtc->dev.class = rtc_class;rtc->dev.release = rtc_device_release; mutex_init(&rtc->ops_lock);spin_lock_init(&rtc->irq_lock);spin_lock_init(&rtc->irq_task_lock);init_waitqueue_head(&rtc->irq_queue); timerqueue_init_head(&rtc->timerqueue);INIT_WORK(&rtc->irqwork, rtc_timer_do_work);rtc_timer_init(&rtc->aie_timer, rtc_aie_update_irq, (void *)rtc);rtc_timer_init(&rtc->uie_rtctimer, rtc_uie_update_irq, (void *)rtc);hrtimer_init(&rtc->pie_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);rtc->pie_timer.function = rtc_pie_update_irq;rtc->pie_enabled = 0; err = __rtc_read_alarm(rtc, &alrm); if (!err && !rtc_valid_tm(&alrm.time))rtc_initialize_alarm(rtc, &alrm); strlcpy(rtc->name, name, RTC_DEVICE_NAME_SIZE);dev_set_name(&rtc->dev, "rtc%d", id); rtc_dev_prepare(rtc); err = device_register(&rtc->dev); rtc_dev_add_device(rtc);rtc_sysfs_add_device(rtc);rtc_proc_add_device(rtc); dev_info(dev, "rtc core: registered %s as %s\n",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,};

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.cint rtc_set_time(struct rtc_device *rtc, struct rtc_time *tm){int err;err = rtc_valid_tm(tm); err = mutex_lock_interruptible(&rtc->ops_lock);if (err)return err; 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);schedule_work(&rtc->irqwork);return err;}

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");

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

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.cvoid __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,};

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 -ltotal 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 devlrwxrwxrwx 1 root root0 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 namedrwxr-xr-x 2 root root0 2021-01-01 12:00 power-r--r--r-- 1 root root 4096 2022-09-21 03:56 since_epochlrwxrwxrwx 1 root root0 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 wakealarmdrwxr-xr-x 2 root root0 2021-01-01 12:00 wakeup8

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.crtc_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: 03:59:11rtc_date: 2022-09-21alrm_time : 12:00:00alrm_date : 2021-01-02alarm_IRQ : noalrm_pending: noupdate IRQ enabled: noperiodic IRQ enabled: noperiodic IRQ frequency: 1max user IRQ frequency: 6424hr: yes

信息来源：

rtc_proc_fops -->rtc_proc_open-->rtc_proc_show

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

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);

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.cpp122 int AlarmImpl::getTime(int type, struct itimerspec *spec)123 {124 if (static_cast(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 }

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 else276 ret = hctosys;277 278 fclose(file);279 return ret;280 }

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。