我生待明日，萬事成蹉跎。—— 明 · 錢福《明日歌》

1 前言

在嵌入式系統中 (包括大部分電子設備：手機、平板、手環、手錶等等)，時間的概念非常重要。如打印 log 時的時間戳、定時關機、心跳上報、日曆功能、鬧鐘等等。上述這些功能都需要一個相對精確的時間系統。

經常涉及的與時間相關的術語包括：硬件時鐘、系統時鐘、網絡時鐘、時區修改和同步。日常生活和工作中可能接觸到的時區概念包括：UTC、GMT、CST、DST。在網絡時間中可能接觸到的概念又有：NTP、SNTP、NITZ。本文將會對上述涉及到的概念進行系統的整理和探討。

2 瞭解概念

下面對幾個概念進行集中陳述。

2.1 時區

時區 [1] 是指地球上的不同區域使用同一個時間定義。以前，人們通過觀察太陽的位置（時角）決定時間，這就使得不同經度的地方的時間有所不同（地方時）。1863 年，首次使用時區的概念。通過設立一個區域的標準時間部分地解決了這個問題。

時區劃分規則: 將全球按經線從東到西劃分爲 24 個時區，其中東、西各 12 個時區，每個時區跨越經度 15°，0 區和 12 區跨越東西各 7.5°。規定相鄰區域的時間相差 1 小時，這樣 24 個時區剛好是 24 小時，地球自轉一圈。如下圖是全球時區的劃分明細。常見的時區概念包括：GMT、UTC、CST、DST。

• GMT(Greenwich Mean Time) 指格林尼治標準時間，它是第一個世界時。GMT 12:00就是指格林尼治天文臺當地的正午 12:00，而 GMT+8 12:00，則是指東八區的北京當地時間的 12:00。格林尼治標準時間的正午是指當太陽橫穿格林尼治子午線時（也就是在格林尼治時）的時間。由於地球在它的橢圓軌道里的運動速度不均勻，這個時刻可能和實際的太陽時相差 16 分鐘。

• UTC(Coordinated Universal Time)是指協調世界時，又稱世界標準時間。它是以原子時爲基礎，由於現在世界上最精確的原子鐘 50 億年纔會誤差 1 秒，所以 UTC 時間標準非常精確。每隔幾年協調世界時組織都會給世界時 + 1 秒，讓基於原子鐘的世界時和基於天文學（人類感知）的格林尼治標準時間 (GMT) 相差不至於太大。UTC 是現在世界使用的標準時間，UTC 與 GMT 時間基本相同。

• CST(China Standard Time) 指中國標準時間。GMT + 8 = UTC + 8 = CST。

• DST(Daylight Saving Time) 夏令時，又稱：“日光節約時制”。是一種爲節約能源而人爲規定地方時間的制度，在這一制度實行期間所採用的統一時間稱爲 “夏令時間”。一般在天亮早的夏季人爲將時間調快一小時，可以使人早起早睡，減少照明量，以充分利用光照資源，從而節約照明用電。各個採納夏時制的國傢俱體規定不同。全世界有近 110 個國家每年要實行夏令時。中國現在已經不再使用夏令時。

2.2 時鐘

常見的幾個時鐘概念包括：硬件時鐘、系統時鐘、網絡時鐘。

• 硬件時鐘。在嵌入式領域也就是 RTC 時鐘 (Real Time Clock)。大多采用精度較高的晶振作爲時鐘源。在主電源掉電時，還可以工作，需要外加電池供電。通常把集成於芯片內部的 RTC 稱爲片內 RTC，在芯片外擴展的 RTC 稱爲外部 RTC。

• 系統時鐘。指軟件系統的時鐘。在linux和一些rtos中，啓動時會去讀取硬件時鐘 (RTC)，之後則獨立運行。獨立運行的好處對於普通用戶意義不大，但對於linux網絡管理員卻有很大的用處。例如，要將一個很大的網絡中 (跨越若干時區) 的服務器同步，假如位於美國紐約的linux服務器和北京的 Linux 服務器，其中一臺服務器無須改變硬件時鐘而只需臨時設置一個系統時間，如要將北京服務器上的系統時間設置爲紐約時間，兩臺服務器完成文件的同步後，再與原來的硬件時鐘同步一下即可。這樣系統時鐘和硬件時鐘就提供了更爲靈活的操作。

• 網絡時鐘。網絡時鐘的時間源來自於專業授時的服務器 (SNTP、NTP)。實現方案是在網絡上指定若干時鐘源服務器，爲用戶提供授時服務，並且這些服務器之間能夠相互比較校正，以提高準確度。在移動蜂窩網絡中，基站也可以通過無線網絡向移動設備提供本地日期和時間、時區、夏時制偏移。網絡時鐘的精度一般都很高，可以達到毫秒級，可以用來對嵌入式設備進行時間同步。

2.3 時間同步

時間同步對嵌入式設備很重要，一些功能業務甚至依賴於時間信息來完成。如自注冊 DM 業務，需要週期性的向運營商服務器上報信息，這些信息上報都是以天或者是月爲週期，不可能靠軟件timer來實現。和此類似的功能都需要以標準時間爲基準，以此完成條件的觸發。下面來探討時間同步的話題。

2.3.1 SNTP

SNTP 是簡單網絡時間協議 (Simple Network Time protocol) 的簡稱，它是目前Internet網上實現時間同步的一種重要工程化方法。SNTP由NTP改編而來，SNTP其實是NTP的子集，只是NTP可以 分發和授時，而SNTP只有授時沒有分發，也就是說你只能從SNTP獲取時間，其他的什麼都做不了，SNTP簡化了NTP的全部流程，這樣節約成本，但只能同步一個時間源。SNTP協議採用客戶端 / 服務器的工作方式。SNTP服務器通過接收GPS信號或自帶的原子鐘作爲系統的時間基準。SNTP客戶端 (嵌入式設備) 能夠通過定期訪問SNTP服務器獲得準確的時間信息，用於調整客戶端自身所在系統的時間，達到同步時間的目的。在linux系統中一般有現成的 SNTP 客戶端可以安裝使用，在其他的嵌入式平臺上需要移植或自主開發。一些可用的 SNTP 服務器彙總如下 (親測可以 ping 通)：

• 國家授時中心 NTP 服務器：ntp.ntsc.ac.cn

• 阿里雲公共 NTP 服務器：time.pool.aliyun.com

• 騰訊雲公共 NTP 服務器：time1.cloud.tencent.com

• 教育網（高校自建）服務器：ntp.sjtu.edu.cn

2.3.2 NITZ

NITZ(Network Identity and Time Zone)是一種通過無線網絡向移動設備提供本地日期和時間、時區、夏時制偏移，以及網絡提供商身份信息的機制，這通常用於無線蜂窩網絡設備 (手機、通信模組) 的自動更新系統時間。對於其他網絡時間協議，NITZ 的質量和執行力度都相對較弱。有些運營商根本就不支持，例如在國內，本地測試 (廣東) 發現，中國移動和中國電信是支持NITZ的，中國聯通就根本不支持。再者，與SNTP相比，SNTP授時能使時間分辨率達到毫秒級，NITZ則 “對於時間只能精確到數分鐘”。但NITZ不用連上互聯網，能駐上無線蜂窩網絡就行，而SNTP必須連接互聯網。

3 應用

3.1 linux 中時間命令

linux 命令中的date命令是用來設置和查詢系統時間的，而hwclock命令是用來設置和讀寫RTC時間 (硬件時間)。有一點需要注意，linux的時間系統是由「新紀元時間」Epoch 開始計算起，單位爲秒，Epoch 則是指定爲 1970 年 1 月 1 日 0 點 0 分 0 秒，格林威治時間 (GMT)。date +%s命令可以讀取從 1970 年 1 月 1 日 0 點 0 分 0 秒開始到當前的秒數。

• 讀取當前秒數 (以 1970 年 1 月 1 日 0 點 0 分 0 秒爲計算起點)；

book@zhang.c:~$ date +%s
1653752545

• 讀系統時間：date；

book@zhang.c:~$ date
Sat May 28 22:41:26 CST 2022

• 設置系統時間：date -s "20220501 12:00:00"，date -s命令設置時間只會影響系統時間，不會設置 RTC 時間，如果需要把當前系統時間同步設置到 RTC 中，需要額外調用hwclock命令；

book@zhang.c:~$ date -s "20220501 12:00:00"
Sun May  1 12:00:00 CST 2022

• 有關rtc時間的操作，主要是hwclock命令使用；

#讀取並打印當前的rtc時間
hwclock -r
#讀取RTC時間並設置到系統時間中去
hwclock -s 
#把當前的系統時間設置到RTC中
hwclock -w     
#完整的設置RTC的時間可執行如下命令
date -s "20220501 12:00:00"
hwclock -w

• date命令格式化的顯示時間，可以看如下的Command這一列。

        Format/result           |       Command              |          Output
--------------------------------+----------------------------+------------------------------
YYYY-MM-DD                      | date -I                    | $(date -I)
YYYY-MM-DD_hh:mm:ss             | date +%F_%T                | $(date +%F_%T)
YYYYMMDD_hhmmss                 | date +%Y%m%d_%H%M%S        | $(date +%Y%m%d_%H%M%S)
YYYYMMDD_hhmmss (UTC version)   | date --utc +%Y%m%d_%H%M%SZ | $(date --utc +%Y%m%d_%H%M%SZ)
YYYYMMDD_hhmmss (with local TZ) | date +%Y%m%d_%H%M%S%Z      | $(date +%Y%m%d_%H%M%S%Z)
YYYYMMSShhmmss                  | date +%Y%m%d%H%M%S         | $(date +%Y%m%d%H%M%S)
YYYYMMSShhmmssnnnnnnnnn         | date +%Y%m%d%H%M%S%N       | $(date +%Y%m%d%H%M%S%N)
YYMMDD_hhmmss                   | date +%y%m%d_%H%M%S        | $(date +%y%m%d_%H%M%S)
Seconds since UNIX epoch:       | date +%s                   | $(date +%s)
Nanoseconds only:               | date +%N                   | $(date +%N)
Nanoseconds since UNIX epoch:   | date +%s%N                 | $(date +%s%N)
ISO8601 UTC timestamp           | date --utc +%FT%TZ         | $(date --utc +%FT%TZ)
ISO8601 UTC timestamp + ms      | date --utc +%FT%T.%3NZ     | $(date --utc +%FT%T.%3NZ)
ISO8601 Local TZ timestamp      | date +%FT%T%Z              | $(date +%FT%T%Z)
YYYY-MM-DD (Short day)          | date +%F\(%a\)             | $(date +%F\(%a\))
YYYY-MM-DD (Long day)           | date +%F\(%A\)             | $(date +%F\(%A\))

3.2 SNTP 和 NITZ

在手機 (包括 Android 和功能機) 和模組產品中，SNTP和NITZ兩種同步系統時間的策略一般都會用到。默認使用的是 NITZ 來獲取網絡時間，但是需要有運營商的支持才能使用 (中國聯通就不支持)，而有些設備產品只支持 WIFI 等無線網絡，而不支持移動網絡，此時就需要採用SNTP方式來獲取網絡時間進行同步了。SNTP協議時間戳是以 1900 年 1 月 1 日 0 點 0 分 0 秒爲起點，而linux時間戳從 1970 年 1 月 1 日 0 點 0 分 0 秒開始記秒數，即記錄到SNTP結構體中的時間包含了 JAN_1970(從 1900 到 1970 共 70 年的秒數)。在拿到SNTP時間後，往 linux 同步時間時，需要減掉 JAN_1970。

4 總結

• UTC與GMT時間基本相同；

• 硬件時鐘和系統時鐘同步後，會分開獨立運行；

• 網絡時鐘的精度都比較高，可以用SNTP或NITZ來進行同步，尤其SNTP時間同步精度可以達到毫秒級。

• linux系統的計時起點爲 1970 年 1 月 1 日 0 點 0 分 0 秒，其他嵌入式系統在做網絡時間同步時，也一定要確認好計時起點。

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