第八周学习笔记

第5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

（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)

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

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.

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。
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。

时钟服务函数

在几乎所有的操作系统（OS）中，擦欧总系统内核都会提供与时钟相关的各种服务。

gettimeofday-settimeofday

#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
int settimeofday(const struct timeval *tv, const strust timezone *tz);

1.gettimeofday系统调用

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <sys/time.h>
 #include <time.h>
 
 int main(){
     struct timeval t;
     gettimeofday(&t,NULL);
     printf("sec = %ld , usec = %ld\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
     printf((char*)ctime(&t.tv_sec));
     return 0;
 }

2.settimeofday系统调用

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <sys/time.h>
 #include <time.h>
 
 int main(){
     struct timeval t;
     t.tv_sec = 123456789;
     t.tv_usec = 0;
    int r = settimeofday(&t,NULL);
    if(!r){
       printf("settimeofdat() failed\n");
       return -1;
   }
   gettimeofday(&t,NULL);
   printf("sec = %ld , usec = %ld\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
   printf("%s",ctime(&t.tv_sec));
   return 0;
}

time系统调用

time系统调用

#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t start,end;

int main()
{
        int i;
        start = time(NULL);
        printf("start = %ld\n",start);
        for(i=0;i<123456;i++);
        end = time(NULL);
        printf("end =%ld time=%ld\n", end, end-start);
}

times系统调用

可用于获取某进程的具体执行时间。它将进程时间储存在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),也可以通过BIOS来完成。

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，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 irimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

有3类间隔定时器：

(1)ITIMER REAL:实时减少，在到期时生成一个SIGALRM(14)信号。
(2)ITIMERVIRTUAL: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ITIMER 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。

间隔定时器的值用一下结构体（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;	
)；

settitimer程序的输出

  #include <signal.h>
  #include <stdio.h>
  #include <sys/time.h>
  int count = 0;
  struct itimerval t;
  void timer_handler(int sig)
  {
      printf("timer_handler: signal=%d count=%d\n", sig, ++count);
      if (count>=8){
         printf("cancel timer\n");
         t.it_value.tv_sec = 0;
         t.it_value.tv_usec = 0;
         setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &t, NULL);
     }
 }
 int main()
 {
     struct itimerval timer;
     // Install timer_handler as SIGVTALRM signal handler
     signal(SIGVTALRM, timer_handler);
     // Configure the timer to expire after 100 msec
     timer.it_value.tv_sec = 0;
     timer.it_value.tv_usec = 100000; // 100000 nsec
     // and every 1 sec afterward
     timer.it_interval.tv_sec = 1;
     timer.it_interval.tv_usec = 0;
     // Start a VIRTUAL itimer
     setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &timer, NULL);
     printf("looping: enter Control-C to terminate\n");
     while(1);
  }

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是才有效。

编程项目

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进程发出的信号课看作是对基本系统虚拟CPU的中断。

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。

临界区

• 再基本代码体系中，只有一种执行实体，即任务，一次只执行一个任务。某任务再收到切换命令、进入休眠或退出之前，会一直执行下去。

临界区的表现

• 当某中断外理程序执行时，任务在辑上不能执行，这样任务就无法干扰中断外理程序，但反之则不然。
• 当某任务执行时，可能会发生定时器中断，将该任务转移到执行中断处理程序，这可能会干扰任务。
• 为了防止出现这种情况。执行任务需屏藏临界区中的中新即可。如前文所述，多任务处理系统在一个虚拟CPU上运行，该CPU是一个Linux进程。对千多任务处理系统而言，定时器中断果发送给Linux进程的SIGALRM信号。
• 在Linux中除SIGKILL(9)和SIGSTOP(19)之外的信号都可通过以下方法进行阻塞或解锁。