第五章学习笔记
第5章 定时器及时钟服务
一、知识点总结
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
- 实时时钟：提供时间和日期信息
- 可编程间隔定时器：提供以毫秒为单位的定时器刻度，为操作系统提供基本定时单元
- 多核CPU中的本地定时器：每个核都是一个独立的处理器，有自己的本地定时器
- 高分辨率定时器：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。
5.4 中断处理
外部设备的（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
5.5.1 gettimeofday-settimeofday
- gettimeofday()函数用于返回当前时间；
- 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。
5.5.2 time系统调用
- time_t time(time_t *t) 以秒为单位返回当前时间，有一定的局限性，只提供以秒为单位的分辨率
5.5.3 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
};
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。
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
Linux为进程提供了三种不同类型的间隔定时器，可用作进程计时的虚拟时钟。间隔定时器由settimer()系统调用创建。getitimer()系统调用返回间隔定时器的状态。有三类间隔定时器，分别是：
- ITIMER_REAL: 实时减少，在到期时生成一个SIGALRM（14）信号。
- 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。
- ITIMER_PROF: 当进程正在用户模式和系统模式下执行时减少。在到期时生成一个SIGPROF(27)信号。
5.7 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PEOC结构体，就可以减少计时器计时，在定时结束前重新加载定时器计时，并向进程生成一个信号。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。
二、实践操作
5.1 通过gettimeofday()获取系统时间
#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=%ld\n", t.tv_sec, t.tv_usec);
printf((char *)ctime(&t.tv_sec));
}
5.2 通过settimeofday()设置系统时间
#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=%ld\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
printf("%s",ctime(&t.tv_sec));
}
5.3 time系统调用
#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<20201307;i++)
end = time(NULL);
printf("end =%ld time=%ld\n",end,end-start);
}
