20191305李天琦第五章学习笔记
20191305李天琦第五章学习笔记
摘要：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—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。该项目可让读进程通过定时器队列实现任务间隔定时器，还可让读进程使用Linux 信号掩码来实现临界区，以防止各项任务和中断处理程序之间出现竞态条件。
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。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
（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）（Wang 2015）∶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（Intel 1997;Wang 2015））∶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，但它可提供纳秒级的定时器分辨率。—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。
5.3CPU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 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;
}
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（Intel 1990;Wang 2015），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。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（AMD64 20I1）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
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);
这些是对Linux内核的系统调用。第一个参数tv指向一个timeval结构体
struct timeval {
time_t tv_BeC; /* secondg */tV_ugec;
suseConds_t tv_usec /* microseconds * /);
第二个参数 timezone已过期，应设置为NULL。gettimeofday（）函数用于返回当前时间（当前秒的秒和微秒）。settimeofday（函数用于设置当前时间。在 Unix/Linux中，时间表示自1970年1月1日00∶00∶00起经过的秒数。它可以通过库函数 ctime（&time）转换为日历形式。
2.time系统调用
time_t time(time_t *t)
以秒为单位返回当前时间。如果参数t不是NULL，还会将时间存储在t指向的内存中。time 系统调用具有一定的局限性，只提供以秒为单位的分辨率，而不是以微秒为单位。
3.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 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
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
Linux为每个进程提供了三种不同类型的间隔计时器，可用作进程计时的虚拟时钟。间隔定时器由setitimer（）系统调用创建。getitimer（）系统调用返回间隔定时器的状态。
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which,const struct itimerval *new_value,
struct itimerva1 *old_value);
各间隔定时器在参数 which指定的不同时间域中工作。当间隔定时器定时到期时，会向进程发送一个信号，并将定时器重置为指定的间隔值（如果是非零数）。一个信号就是发送给某个进程进行处理的一个数字（1到31）。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）ITIMER_VIRTUAL: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ITIMER_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。
5.7REAL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。
