20201322陈俊池学习笔记8

第五章 定时器及时钟服务

5.1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。

5.2 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。由于不同系统主板的时钟频率可能不同，TSC不适合作为实时设备，但它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。

5.3 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。

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 operands;
(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 interzmpts; may handle interrupts;
}

在以上各步骤中，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，继续执行下一条指令。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。

5.4 中断处理

外部设备(如定时器)的中断被馈送到中断控制器的预定义输入行,按优先级对中断输入排序，并将具有最高优先级的中断作为中断请求(IRQ)路由到CPU。在每条指令执行结束时，如果CPU未处于接受中断的状态，即在CPU的状态寄存器中屏蔽了中断。它将忽略中断请求，使其处于挂起状态,并继续执行下一条指令。如果CPU处于接受中断状态，即中断未被屏蔽，那么CPU将会转移它正常的执行顺序来进行中断处理。

对于每个中断，可以编程中断控制器以生成一个唯一编号，叫作中断向量，标识中断源。在获取中断向量号后，CPU用它作为内存中中断向量表中的条目索引，条目包含一个指向中断处理程序入口地址的指针来实际处理中断。当中断处理结束时，CPU恢复指令的正常执行。

5.5 时钟服务函数

在几乎所有的操作系统(os)中，操作系统内核都会提供与时钟相关的各种服务，时钟服务可通过系统调用、库函数和用户级命令调用。在本节中，我们将介绍Linux的一些基本时钟服务函数：

5.5.2 time系统调用

• time系统调用

  clock_t times(struct tms *buf);可用于获取某进程的具体执行时间。它将进程时间存储在struct tms buf中：

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
};

5.5.3 times系统调用

times系统调用 clock_t times(struct tms *buf); 可用于获取某进程的具体执行时间。它将进程时间存储在struct tms buf中，即:

 

struct tms(
clock_t     // 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

以时钟计时单元报告所有时间。这可以为分析某个正在执行的进程提供信息，包括其子进程的时间(如有)。

5.5.4 time 和 date 命令

• date：打印或设置系统日期和时间。

• time：报告进程在用户模式和系统模式下的执行时间和总时间。

• hwclock：查询并设置硬件时钟(RTC),也可以通过BIOS来完成。

5.6 间隔定时器

• 间隔定时器的值用以下结构体(在＜sys/time.h＞中)定义：

struct itimerval {
    struct timeval it_inteirval; 
    struct timeval it_value; 
}；
struct timeval (
    time_t tv_sec；
    suseconds_t tv_usec;    
)；

有3类间 隔定时器，分别是： (1 ) ITIMER_REAL：实时减少，在到期时生成一个SIGALRM ( 14)信号。 (2 ) IT1MER_V1RTUAL;仅当进程在用户模式下执行时减少，在到期时生成一个 SIGVTALRM ( 26 )信号。 (3 ) ITIMER_PROF:当进程正在用户模式和系统(内核)模式下执行时减少。这类间隔 定时器与IT1MER_VIRTUAL结合使用，通常用于分析应用程序在用户模式和内核模式下花费的时间。它在到期时生成一个SIGPROF (27 )信号。

二、实践内容与截图

输出打印开始时间、结束时间以及从开始到结束的秒数

代码：
#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t start,end;

int main()
{
        int i;
        start = time(NULL);
        printf("start = %ld\n",start);
        for(i=0;i<123456;i++);
        end = time(NULL);
        printf("end =%ld time=%ld\n", end, end-start);
}

截图：