第五章 定时器和时钟服务
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一个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信号捕捉器作为定时器的中断处理程序。
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
5.2个人计算机定时器
基于Intel x86额个人计算机有数个定时器（Bovet和Cesati 2005）
(1) 实时时钟RTC (2) 可编程间隔定时器PIT (3) 多核CPU中的本地定时器 (4) 高分辨率定时器
5.3CPU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。
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。在每条指令执行结束时，CPU会检查挂起的中断。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。如果有挂起的中断请求，但是CPU未处于接受中断的状态，即它的状态寄存器已经屏蔽了中断，CPU会忽略中断请求，继续执行下一条命令。否则，它将直接执行中断处理。
5.4关于中断处理
外部设备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）路由器到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。
5.5时钟服务函数
在几乎所有的操作系统中，操作系统内核都会提供与时钟相关的各种服务。时钟服务可通过系统调用、库函数和用户级命令调用。下面介绍一些Linux的基本时钟服务函数
1、gettimeofday-settimeofday
具体操作见编程实践
2、time系统调用
输出应打印开始时间、结束时间以及从开始到结束的秒数
3、times系统调用
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
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，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模式下执行时减少。在到期时生成一个SIGPROF（27）信号
5.7REAL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
编程实践
实现gettimeofday
源代码如下：
#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
", t.tv_sec, t.tv_usec);
printf((char *)ctime(&t.tv_sec));
}