第五章 定时器及时钟服务
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一、概述
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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。
二、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。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。
- 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。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)(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。在所有IO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（Intel1997;Wang2015):在多核CPU中，每个核都是一个独立的处理器,它有自已的本地定时器，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。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（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。
四、时钟服务函数
1、gettimeofday-settimeofday
#include<sys/time.h>
int gettimeofdat(struct timeval *tv,struct timezone *tz);
int settimeofdat(const struct timeval *tv,const struct timezone *tz);
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; //microsecondes
}
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。
3、times系统调用
clock_t times(struct tms *buf);
可用于获取进程的具体执行时间。他将进程时间存储在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），也可通过BIOS来完成
五、间隔定时器
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
实践与代码
gettimeofday() 获取当前时间：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
int main()
{
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
printf("tv_sec: %d
", tv.tv_sec);
printf("tv_usec: %d
", tv.tv_usec);
return 0;
}
time() 函数获取当前时间:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
int main()
{
time_t seconds;
seconds = time((time_t *)NULL);
printf("%d
", seconds);
return 0;
}
localtime_r() localtime()取得当地目前时间和日期:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
int main()
{
time_t timep;
struct tm *p;
time(&timep);
p = localtime(&timep);
printf("%d-%d-%d %d:%d:%d
", (1900 + p->tm_year), ( 1 + p->tm_mon), p->tm_mday,
(p->tm_hour + 12), p->tm_min, p->tm_sec);
return 0;
}
问题及解决办法
time系统调用为什么返回时间值？
在查询百度后得知
time_t time(time_t *t);
time存在参数，为内存地址，当不为0时，系统调用将当前秒数写入指向内存。既然已经可以获取时间值了，为什么还要返回时间值呢？而不像其他系统调用，成功返回0，出错返回负值。
其主要原因应该是减少系统调用的时间，写入内存的时间相对于返回的时间更长，并且time系统调用经常被调用。