第五章学习笔记

信息安全系统设计与实现

第五章 定时器及时钟服务

硬件定时器

定时器是由时钟源和可编程计数器组成的硬件设备。时钟源通常是一个晶体振荡器，会产生周期性电信号，以精确的频率驱动计数器。使用一个倒计时值对计数器进行编程，每个时钟信号减1。当计数减为0时，计数器向CPU生成一个定时器中断、将计数值重新加载到计数器中，并重复倒计时。计数器周期称为定时器刻度，是系统的基本计时单元。

个人计算机定时器

基于Intel x86的个人计算机有数个定时器。
（1）实时时钟（RTC）∶ RTC由一个小型备用电池供电。即使在个人计算机关机时，它也能连续运行。它用于实时提供时间和日期信息。当Linux 启动时，它使用 RTC更新系统时间变量，以与当前时间保持一致。在所有类Unix 系统中，时间变量是一个长整数，包含从1970年1月1日起经过的秒数。
（2）可编程间隔定时器（PIT）:PIT是与CPU分离的一个硬件定时器。可对它进行编程，以提供以毫秒为单位的定时器刻度。在所有I/O设备中，PIT可以最高优先级IRQ0中断。PIT定时器中断由Linux 内核的定时器中断处理程序来处理，为系统操作提供基本的定时单元，例如进程调度、进程间隔定时器和其他许多定时事件。
（3）多核CPU中的本地定时器:在多核 CPU中，每个核都是一个独立的处理器、它有自己的本地定时器，由 CPU 时钟驱动。
（4）高分辨率定时器;大多数电脑都有一个时间戳定时器（TSC），由系统时钟驱动。它的内容可通过 64.位TSC寄存器读取。由干不同系统主板的时钟频率可能不同、TSC不活合作为实时设备，但它可提供纳秒级的定时器分辨率。一些高端个人计算机可能还配备有专用高速定时器，以提供纳秒级定时器分辨率。

CPU操作

每个CPU 都有一个程序计数器（PC），也称为指令指针（IP），以及一个标志或状态寄存器（SR）、一个堆栈指针（SP）和几个通用寄存器，当PC指向内存中要执行的下一条指令时，SR 包含 CPU 的当前状态，如操作模式、中断掩码和条件码，SP指向当前堆栈栈顶。堆栈是CPU用于特殊操作（如 push、pop调用和返回等）的一个内存区域。CPU操作可通过无限循环进行建模。
由于无效地址、非法指令、越权等原因，可能会出现一个错误状态，称为异常或陷阱。当CPU遇到异常时，它会根据内存中预先安装的指针来执行软件中的异常处理程序。在每条指令执行结束时，CPU会检查挂起的中断。中断是 I/O设备或协处理器发送给CPU的外部信号，请求CPU服务。如果有挂起的中断请求，但是CPU未处于接受中断的状态，即它的状态寄存器已经屏蔽了中断，CPU会忽略中断请求。继续执行下二条指令。否则，它将直接执行中断处理。在中断处理结束时，它将恢复指令的正常执行。中断处理和异常处理都在操作系统内核中进行。在大多数情况下，用户级程序无法访问它们，但它们是理解操作系统（如 Linux）定时器服务和信号的关键。

while (power-on){

(1).  fetch instruction:load*PC as instruction,increment PC to point to the

next instruction in memory;

(2).  decode instruction: interpret the instruction's operation code and

generate operandis;

(3).  execute instruction: perform operation on operands,write results to

memory if needed; execution may use the stack,implicitly change PC, etC.

(4) .  check for pending interrupts; may handle interrupts;

}

中断处理

时钟服务函数

1、gettimeofday-settimeofday

#include <sys/time.h>


int gettimeofday(struct timeval*tv,struct timezone *tz);


int settimeofday(const struct timeval *tv,const struct timezone *tz);

2、time系统调用

3、times系统调用

struct tms{

clock t tms utime;  // user mode time

      clock_t tms_stime; // system mode time

clock__t tms_cutime； // user time of children

clock_t tms_cstime;   // system time of children

);

4、time和date命令

间隔定时器

int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);

int setitimer(int which,const struct itimerval *new_value,

struct itimerva1 *old_value);

REAL模式间隔定时器

VIRTUAL和PROF模式下的间隔计时器仅在执行进程时才有效。这类定时器的信息可保存在各进程的PROC结构体中。（硬件）定时器中断处理程序只需要访问当前运行进程的PROC结构体，就可以减少定时器计时，在定时结束时重新加载定时器计时，并向进程生成一个信号。操作系统内核不必使用额外的数据结构来处理进程的VIRTUAL 和 PROF定时器。但是，REAL模式间隔定时器各不相同，因为无论进程是否正在执行，它们都必须由定时器中断处理程序来更新。因此，操作系统内核必须使用额外的数据结构来处理进程的 REAL 模式定时器，并在定时器到期或被取消时采取措施。在大多数操作系统内核中，使用的数据结构都是定时器队列。

1、系统基本代码

2、定时器中断

3、定时器队列

4、临界区

5、高级主题

学习心得

本章讨论了定时器和定时器服务;介绍了硬件定时器的原理和基于Intel x86 的PC中的硬件定时器;讲解了CPU操作和中断处理;描述了Linux中与定时器相关的系统调用、库函数和定时器服务命令;探讨了进程间隔定时器、定时器生成的信号，并通过示例演示了进程间隔定时器。编程项目的目的是要在一个多任务处理系统中实现定时器、定时器中断和间隔定时器。多任务处理系统作为一个Linux 进程运行，该系统是Linux进程内并发任务的一个虚拟CPU。Linux 进程的实时模式间隔定时器被设计为定期生成 SIGALRM信号，充当虚拟CPU的定时器中断，虚拟CPU使用SIGALRM信号捕捉器作为定时器的中断处理程序。