定时器及时钟服务

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；探讨了进程冋隔定时器、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。

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。

个人计算机定时器

基于Intel x86的个人计算机有数个定时器(Bovet和Cesati 2005 )

  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。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)(Wang2015)： 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。
  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，但它提供纳秒级的定时器分辨率。

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。

中断处理

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-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(AMD64 2011 )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。

时钟服务函数

gettimeofday-settimeofday

#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz); int settimeofday(const struct timeval *tv, const struct timezone *tz);
struct timeval (
tv_sec; 
suseconds_t tv_usec;
）；

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。

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

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。

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 itimeirval *new_value,
struct itimerval *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模式冋隔定时器各不相同，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