第八周学习笔记

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，以料青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，并重复复倒计时。计数器周期称为定时器刻店度，是系统的基本计时单元。

个人计算机定时器

基于Intelx86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。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。

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。

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 thenext instruction in memory;
(2). decode instruction: interpret the instruction's operation code andgenerate operands;
(3). execute instruction: perform operation on operands, write results tomemory if needed; execution may use the stack, implicitly change PC,etc.
(4). check for pending interrupts; may handle interrupts;

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；Wang2015），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（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

gettumeofday-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_sec;    /* seconds */
    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。下面给出gettimeofday() 函数和settimeofday() 函数的示例。

1.gettimeofday系统调用

/********* gettimeofday.c file *********/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>

struct timeval t;

int main()
{
    gettimeofday(&t, NULL);
    printf("sec=%ld usec=%d\n", t.tv_sec, t.tv_usec);
    printf("%s", ctime(&t.tv_sec));

    return 0;
}

程序应以秒、微秒显示当前时间，并以日历形式显示当前日期和时间，如：
sec=1515624303 use1sec=860772
Wed Jan 10 14:45:03 2018

2.settimeofday系统调用

/********* settimeofday.c file *********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
struct timeval t;
int main()
{
int r;
t.tv_sec = 123456789;
t.tv_usec= 0;
r = settimeofday(&t, NULL);
if (!r){
printf("settimeofday() failed\n");
exit(1);
}
gettimeofday(&t, NULL);
printf("sec=%ld usec=%1d \n",t.tv_sec, t.tv_usec);
printf("%s", ctime(&t.tv_sec)); // show time in calendar form
}

程序的输出显示如下：
sec=123456789 usec=862
Thu Nov 29 13:33:09 1973

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。该示例说明了如何获取以秒为单位的系统时间。

/************ time.c file ***********/
#include <stdio.h>
#include <time.h>
time_t start, end;
int main()
{
int i;
start = time(NULL);
printf("start=%1d\n",start);
for(i=0;i<123456789;i++); // delay to simulate computation
end = time(NULL);
printf("end =%1d time=%1d\n",end, end-start);
}

输出应打印开始时间、结束时间以及从开始到结束的秒数。

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
};

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）。

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。