第5章 定时器及时钟服务
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；探讨了进程冋隔定时器、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S1GALRM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。
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。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
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(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。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。
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。
while(power-on)(
(1). fetch instruction: load *PC as instruction, increment PC to point to the
next instruction in memory；
(2). decode instruction： interpret the instruction* s operation code and
generate operands;
(3). execute instruction： perform operation on operands/ write results to
memory if needed; execution may use the stack, implicitly change PC, etc.
(4). check for pending interzmpts; may handle interrupts;
}
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。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，继续执行下一条指令。否则，它将直接执行中断处理。在中断处理结束时，它将恢复指令的正常执行。中断处理和异常处理都在操作系统内核中进行。在大多数情况下，用户级程序无法访问它们，但它们是理解操作系统(如Linux)定时器服务和信号的关键。
5.4 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。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-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(AMD64 2011 )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
在几乎所有的操作系统(os)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。在本节中，我们将介绍Linux的一些基本时钟服务函数：
5.5.2 time系统调用
示例5.3：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。该示例说明了如何获取以秒为单位的系统时间。
/************ time.c file ***********/
#include <stdio.h>
#include <time.h>
time_t start, end;
int main()
(
int i;
start = time(NULL);
printf (''start=%ld
w , start)；
for (i=0; i<123456789; i++)； // delay to simulate computation
end = time (NULL);
printf (''end =%ld time=%ld
w , end, end-start);
输出应打印开始时间、结束时间以及从开始到结束的秒数。
5.5.3 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。它将进程时间存储在struct tms buf中，即:
struct tms(
clock_t // 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(如有)。
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。
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which, const struct itimeirval *new_value,
struct itimerval *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 )。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 ) IT1MER_V1RTUAL;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 定时器与IT1MER_VIRTUAL结合使用，通常用于分析应用程序在用户模式和内核模式下花费的时间。它在到期时生成一个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PROC结构体,就可以减少定时器计时，在定时结束时重新加载定时器计时，并向进程生成一个信号。操作系统内核不必使用额外的数据结构来处理进程的VIRTUAL和PROF定时器。但是，REAL模式冋隔定时器各不相同，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一因此，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我们将在本章末尾解释编程项目中的定时器队列。
5.8.2定时器中断
整个基本系统在一个虚拟CPU上运行，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。编写间隔定时器程序，每10毫秒生成一个SIGALRM信号。安装一个SIGALRM信 号捕捉器，作为虚拟CPU的定时器中断处理程序。在定时器中断处理程序中，记录经过的
秒数、分钟数和小时数。下面给出了所需的扩展代码段。
void thandler(int sig)
(
// count the number of timer ticks; update sb, mm, hh
// print a message every second
}
signal(SIGALRM, thandler);
struct itimerval t;
t.it_value.tv_sec = 0;
t.it_value.tv_usec = 10000;
t.it_interval.tv_sec = 0;
t.it_interval.tv_usec = 10000;
setitimer(ITIMER_REAL, &t, NULL);
第2步的输出应与图5.2类似，不同的是它每秒钟显示一条消息。
5.8.3 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 器后，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。由于多任务处理系统 还不能生成和发送信号，我们假设任务在执行定时器命令后将进人休眠状态，当定时器过期 时，该任务将被唤醒。
正如5.7节中所指出，系统必须使用定时器队列来记录任务的REAL模式定时器状态. 定时器队列由定时器队列元素（TQE）的条目组成，格式为：
typedef struct tqe{
struct tqe *next;
PROC *proc; // pointer to requesting process
int time; // expiration time count
void (action)(); // action function = twakeup
}TQE;
TQE *timerQueue = 0; // initialized to NULL
定时器队列元素可从定时器队列元素池中分配和取消分配-由于毎个进程只能有一个REAL模式定时器，所以定时器队列元素的最大数量等十进程数量。必要时，可以把它们包含到PROC结构体中:这里，我们假设定时器队列元素是从一个空闲定时器队列元素池中动态分配或取消分配的。当某进程请求REAL模式间隔定时器时，分配一个定时器队列元素来记录请求的进程、到期时间和定时器到期时所釆取的操作，然后，它会将定时器队列元素输入timerQueue中。最简单的timerQueue是按到期时间从小到大排序的链表。如果有多个REAL模式定时器请求，则该timerQueue会如下图所示，其中的数字表示定时器队列元素的到期时间。
timerQueue = TQE1 ->TQE2 ->TQK3
2 7 15
5.8.4 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F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。但是，一旦我们将中断引人系统，情况就会改变。有两种类型的实体来执行中断， 分别是任务和中断处理程序，它们可能会争夺系统中的同一(共享)数据对象。例如，当某 任务请求间隔定时器时，必须将请求作为定时器队列元素输入timcrQueue中。当某任务修 改timerQueue时，如果出现定时器中断，它将转移任务以执行中断处理程序，可能会改动 同一timerQueue,造成竞态条件。因此，timerQueue是临界区，必须对它进行保护，以确 保它一次只能由一个执行实体访问。同样，当某进程在sleep。函数过程中执行时，可能被 转移到执行中断处理程序，即可执行wakeupO,以试图在进程完成休眠操作之前唤醒它，从而导致另一个竞态条件匚所以，问题是如何防止任务和中断处理程序相互干扰。
实践内容过程、问题解决过程
使用gettimeofday()系统调用
使用gettimeofday()获取当前时间。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
int main()
{
struct timeval t;
gettimeofday(&t, NULL);
printf("sec= %ld usec=%d
", t.tv_sec, t.tv_usec);
printf((char*)ctime(&t.tv_sec));
return 0;
}
运行截图：
使用time()获取时间
使用time()可以获取以秒为单位的时间，为1970年1月1日0时到现在为止的秒数。通过time可以实现计算程序中代码段执行消耗的时间秒数，如下。
代码：
#include <stdio.h>
#include <time.h>
time_t start, end;
int main()
{
int i;
start = time(NULL);
printf("start=%ld
",start);
for(i=0;i<2019132000;i++);
end = time(NULL);
printf("end = %ld
");
printf("time of for is %ld
",end-start);
return 0;
}
运行截图：
代码链接
https://gitee.com/ye_jia_xing/system-programming/tree/master/week09/char5-code