第五章学习笔记
一、教材内容归纳整理
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。
（一）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。
（二）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):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。
（三）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（push\pop调用和返回）的一个内存区域。CPU操作可通过无限循环进行建模。
（四）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。
（五）时钟服务函数
1.gettimeofday-settimeofday系统调用
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。
2.time系统调用
time_t time(time_t *t) 以秒为单位返回当前时间。
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
4. time和data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。
（六）间隔计时器
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settimer()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 itimerval *old_value);
有三类间隔定时器：
（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模式下执行时减少。在到期时生成一个SIGPROF（27）信号。
（七）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。
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。
二、实践部分
Gettimeofday-settimeofday系统调用
代码截图：
调用截图：
编写c代码实现time调用
代码截图：
调用截图：
