第9章 时间的故事
对于电子设备来说，时间都是基础性的功能，很容易被人忽视。20世纪的“千年虫”问题，就是时间方面设计缺陷造成的。对于网络连接的多设备来说，保持时间同步是一个新的问题。对于树莓派的众多应用场景来说，时间的准确性都至关重要。树莓派提供了NTP服务，通过网络来校正时间。即使在断网的情况下，也可以通过物理计时来校正时间。而树莓派使用的Linux系统，也提供了date命令这样便利的时间工具。
9.1 NTP服务
树莓派中内置了NTP服务，所以连上网之后就可以自动调整时间。NTP是网络时间协议（Network Time Protocol）的简称，主要用于网络时间的同步。NTP协议早在20世纪80年代就已经诞生了，至今仍是互联网的基础性协议之一。NTP通信分为服务器和客户端两方。客户端发出的数据包包含发出时客户端的时间。服务器收到数据包并回复。在回复的数据包中，附加了服务器收到和发出数据包的时间。客户端收到回复后就可以获得网络延迟时间，以及自己和服务器的时间差。客户端据此调整自己的时钟，就可以与服务器时间保持同步。
你可以通过下面的命令来查询当前使用的NTP服务器：
$sudo ntpq -pn
命令返回：
remote refid st t when poll reach delay offset jitter
==============================================================================
203.135.184.123 .GPS. 1 u 322 64 20 365.136 -7.571 15.792
223.112.179.133 .INIT. 16 u -1024 0 0.000 0.000 0.000
*202.112.29.82 202.118.1.46 2 u 122 64 276 53.148 0.766 0.868
行首加*号的是当前服务器。此外，还列出了网络延迟时间（Delay）、与服务器时间差（Offset）等关键的NTP时间数据。单位是毫秒（Millisecond）。
如果NTP服务出现问题，就会造成树莓派时间错误，可以强制要求NTP对表：
$sudo service ntp stop
$sudo ntpd -gq
$sudo service ntp start
上面的第一句和第三句分别用于停止和启动NTP服务。
即使不使用NTP，也可以手动调整系统时间：
$sudo date -s "1 Jan 2017 00:00:00"
即把系统时间调整为2017年1月1日00:00:00。
然后用date命令来显示系统当前时间：
$date
可以看到，时间已经调整成功。
9.2 时区设置
因为地球自西向东转动，所以全球不同经度地点的日出、日落及正午的时间不同。人们又习惯用同样的12点来代表正午，这意味着不同经度的人要用不一样的表。可是，如果每时每刻都要根据经度调表，就会非常麻烦。因此，地球以15º的经度来划分时区，一个时区内用统一的时间，向东跨过一个时区，就需要把表调快1小时。当然，时区不是严格按照15°划分的。比如，一些地跨多个时区的国家有可能统一用一个时区，例如中国。
对于不同地区的用户来说，往往需要把树莓派调整成当地的时区。你可以用raspi-config进入树莓派的设置页面，在“4 Localisation Options”→“I2 Change Timezone”页面中修改时区。
当然，也可以用下面的命令手动修改：
$sudo cp /usr/share/zoneinfo/Asia/Shanghai /etc/localtime
目录/user/share/zoneinfo中有多个以各大洲名字命名的文件夹，里面的文件以该州的主要城市命名。把对应城市的文件复制到/etc/localtime，就可以把系统的时区设成该城市所用的时区。这里把时区修改为“Shanghai”，也就是上海。修改之后，用date命令查看时间，可以看到时区简写变成CST，也就是“上海时间”的缩写：
Tue 3 Jan 20:42:24 CST 2017
用date命令查看UTC时间：
$date -u
显示的时间正好相差8个小时：
Tue 3 Jan 12:42:24 UTC 2017
9.3 实时时钟
大多数电脑的主板上包含了一个实时时钟（RTC, Real Time Clock）。实时时钟是一个有电源的表，能在电脑断电时继续计时。因此，电脑断电后一天再开机，你会发现电脑的时钟也往前走了一天。树莓派并不包含一个实时时钟，因此，如果树莓派断电一天再开机，在NTP服务校正时间之前，树莓派的时间还停留在一天前。为了解决这一问题，可以给树莓派附加一个实时时钟，比如PiFace专门为树莓派设计的实时时钟。
这个实时时钟被设计成一个使用纽扣电池的电路板。把PiFace电路板的孔对准树莓派的GPIO针脚插入，就可以使用了。插入位置如图9-1所示。插入正确的情况下，电池正好在树莓派CPU的上方。网上也有人诟病这一设计，认为电池的发热会影响树莓派CPU的散热。不过笔者在使用中并没有遇到太大问题。
图9-1 RTC安装位置
为了使用这款实时时钟，还需要进行一些设置。首先，这块电路板是通过I2C接口与树莓派通信的，所以要在raspi-config的页面中打开I2C接口。然后，安装所需的工具包：
$sudo apt-get install i2c-tools
$sudo apt-get install python-smbus
接下来，赋予用户pi使用I2C接口的权限：
$sudo usermod -aG i2c pi
打开文件/etc/modules，这里面列出了系统可以加载的模块。检查是否有如下两行，如果没有请添加：
i2c-dev
i2c-bcm2708
下面一段程序修改自官网程序，用来让树莓派在开机时自动加载实时时钟。把下面程序保存为rtc.bash，并运行：
#! /bin/bash
#=======================================================================
# NAME: set_revision_var
# DESCRIPTION: Stores the revision number of this Raspberry Pi into
# $RPI_REVISION
#==============
set_revision_var() {
revision=$(grep "Revision" /proc/cpuinfo | sed -e "s/Revision\t: //")
RPI2_REVISION=$((16#a01041))
RPI3_REVISION=$((16#a02082))
if [ "$((16#$revision))" -ge "$RPI3_REVISION" ]; then
RPI_REVISION="3"
elif [ "$((16#$revision))" -ge "$RPI2_REVISION" ]; then
RPI_REVISION="2"
else
RPI_REVISION="1"
fi
}
#=======================================================================
# NAME: start_on_boot
# DESCRIPTION: Load the I2C modules and send magic number to RTC, on boot.
#=======================================================================
start_on_boot() {
echo "[info]Create a new pifacertc init script to load time from PiFace
RTC."
echo "[info]Adding /etc/init.d/pifacertc ."
if [[ $RPI_REVISION == "3" ]]; then
i=1 # i2c-1
elif [[ $RPI_REVISION == "2" ]]; then
i=1 # i2c-1
else
i=0 # i2c-0
fi
cat > /etc/init.d/pifacertc << EOF
#! /bin/sh
### BEGIN INIT INFO
# Provides: pifacertc
# Required-Start: udev mountkernfs \$remote_fs raspi-config
# Required-Stop:
# Default-Start: S
# Default-Stop:
# Short-Description: Add the PiFace RTC
# Description: Add the PiFace RTC
### END INIT INFO
. /lib/lsb/init-functions
case "\$1" in
start)
log_success_msg "Probe the i2c-dev"
modprobe i2c-dev
# Calibrate the clock (default: 0x47). See datasheet for MCP7940N
log_success_msg "Calibrate the clock"
i2cset -y $i 0x6f 0x08 0x47
log_success_msg "Probe the mcp7941x driver"
modprobe i2c:mcp7941x
log_success_msg "Add the mcp7941x device in the sys filesystem"
# https://www.kernel.org/doc/Documentation/i2c/instantiating-devices
echo mcp7941x 0x6f > /sys/class/i2c-dev/i2c-$i/device/new_device
log_success_msg "Synchronise the system clock and hardware RTC"
hwclock --hctosys
;;
stop)
;;
restart)
;;
force-reload)
;;
*)
echo "Usage: \$0 start" >&2
exit 3
;;
esac
EOF
chmod +x /etc/init.d/pifacertc
echo "[info]Install the pifacertc init script"
update-rc.d pifacertc defaults
}
set_revision_var &&
start_on_boot
完成后重启电脑。此时树莓派应该已经自动通过I2C接口加载了实时时钟。可以通过下面的命令来检查实时时钟是否就位：
$sudo i2cdetect -y 1
如果实时时钟就位，那么60开头的行会有一个“UU”的标准位。通过下面的命令，可以读出实时时钟的时间：
$sudo hwclock -r
通过下面的命令可以把当前系统时间写入实时时钟：
$sudo hwclock --systohc
有了实时时钟，就可以在无网环境下保持时间的连续性了。PiFace的产品卖得有些贵，淘宝上有一些便宜的实时时钟可以选购。
9.4 date的用法
date是UNIX系统下常用的时间命令工具，能提供非常丰富的时间功能，比如以特定格式显示时间：
$date +"%Y year %m month %d day"
+号后面的字符串代表了时间显示格式，%开头的标识符会用时间信息填充。%Y代表年，%m代表月份，%d代表日期，所以上面的命令会返回：
2017 year 01 month 01 day
用于控制date输出格式的标识符还有很多：
●%a，显示一周中星期几的缩写，比如Thu。
●%A，显示一周中星期几，比如Thursday。
●%b，显示月份的缩写，比如Feb。
●%B，显示月份，比如February。
●%d，显示一个月的哪一天，比如09。
●%D，显示日期，月/日/年，比如02/07/17。
●%F，显示日期，年-月-日，比如2017-02-07。
●%H，显示24小时制的小时，比如23。
●%I，显示12小时制的小时，比如11。
●%j，显示一年中的天数，比如138。
●%m，显示月份，比如02。
●%M，显示分钟，比如14。
●%S，显示秒，比如47。
●%N，显示纳秒，比如264587606。
●%T，显示24小时制的时间，时：分：秒，比如23:44:17。
●%u，显示一周中的哪一天，周一是1。
●%U，显示一年中的周数，而周日是一周的开始，比如47。
●%Y，显示完整的年份，比如2013。
●%Z，显示时区的缩写。
除了显示当前时间，date还可以用来显示用户输入的时间：
$date --date="2017/01/03 12:00:00"
配合上面介绍的格式控制，这个功能可以实现日期格式的转换。这个功能还可以用于时间推算。比如下面的命令就可以用于推算2016年11月12日之前1个月的时间：
$date --date="2016/11/12-1 month"
除了“-1 month”，还可以是“+1 second”“-2 day”等多种时间差，能满足各种各样的时间推算需求。