学习笔记7(必做)

第五章、定时器及时钟服务

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。

二、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）实现时钟（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。

（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。

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包括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。

在以上各步骤中，由于无效地址、非法指令、越权等原因，可能会出现一个错误状态，称为异常或陷阱。当CPU遇到异常时，它会根据内存中预先安装的指针来执行软件中的异常处理程序。中断是I/O设备或协处理器发送给CPU的外部信号，请求CPU服务。

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路由到CPU。对于每个中断 ，可以编程中断控制器以生成唯一一个编号，叫做中断变量，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。

五、时钟服务函数

1. gettimeofday-settimeofday

（1）gettimeofday系统调用

1. 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。

1. times系统调用

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

1. 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。

六、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。

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）。信号和信号处理将在第6章中讨论。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。

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。（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，并向进程生成一个信号。

八、编程项目

1. 定时器中断

整个基本系统在一个虚拟CPU上进行，它是一个Linux进程。定时器向Linux进程发出的信号可看作是对基本系统虚拟CPU的中断。为Linux进程创建一个REAL模式间隔定时器。

1. 定时器队列

在基本系统中为任务添加间隔定时器支持。添加命令：

pause t:任务暂停t秒。

timer t:任务设置一个间隔为t秒的（REAL模式）间隔定时器。

pause命令会让一个任务休眠指定的秒数，在暂停时间到期时再唤醒该任务。设置间隔定时期后，任务可以继续执行，当它的定时器到期时，信号将通知该任务。

1. 临界区

在基本代码系统中，只有一种执行实体，即任务，一次只执行一个任务。某任务在收到切换命令、进入休眠或退出之前，会一直执行下去。此外，任务切换只会发生在操作结束时，而不会发生在任何操作过程中。因此，任务之间没有竞争，因此在基本代码系统中没有临界区

1. 高级主题

    在基于时间片的时间调度中，每个任务都要运行有一个固定数的定时器刻度，称为时间片。当任务运行时，它的时间片由定时器中断处理程序减小。