《信息安全系统设计与实现》第九周学习笔记

第五章 定时器及时钟服务

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

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

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用于特殊操作的一个内存区域。CPU操作可通过无限循环进行建模。

中断处理

• 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，并继续执行下一条指令。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。当中断处理结束时，CPU恢复指令的正常执行。

时钟服务函数

• 时钟服务可通过系统调用、库函数和用户级命令调用。
  • gettimeofday-settimeofday
  • time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 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
        };
    

  • 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

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
  • 间隔定时器的值用以下结构体(在＜sys/time.h＞中)定义：

        struct itimerval {
        struct timeval it_inteirval; 
        struct timeval it_value; 
    }；
    struct timeval (
        time_t tv_sec；
        suseconds_t tv_usec;	
    )；
    

实践

time()

gettimeofday()

苏格拉底挑战

遇到的问题及解决

问题

• 一开始不知道系统调用、库函数和用户级命令在时钟服务函数中的作用和区别

解决

• 在时钟服务函数中，系统调用是操作系统提供的接口，它允许用户程序与操作系统进行交互并请求特定的服务，比如获取当前时间。库函数是由程序员编写的可重用代码，它封装了系统调用的细节，提供更加方便和高级的接口供其他程序调用。而用户级命令是通过命令行界面或图形界面输入的特定命令，它们实际上是调用相应的库函数或系统调用来执行特定的操作，比如设置闹钟或显示当前时间。总的来说，系统调用是操作系统提供的底层接口，库函数是对系统调用的高层封装，而用户级命令是通过命令行或图形界面直接调用相应的库函数或系统调用来完成特定任务。