第5章 定时器及时钟服务

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。

5.2 个人计算机定时器

1. 实时时钟：提供时间和日期信息
2. 可编程间隔定时器：提供以毫秒为单位的定时器刻度，为操作系统提供基本定时单元
3. 多核CPU中的本地定时器：每个核都是一个独立的处理器，有自己的本地定时器
4. 高分辨率定时器：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。

5.4 中断处理

外部设备的（如定时器）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，并继续执行下一条指令。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

5.5.1 gettimeofday-settimeofday

• gettimeofday()函数用于返回当前时间；
• settimeofday()函数用于设置当前时间；
• 在Unix/Linux中，时间表示自1970年1月1日00:00:00起经过的秒数。它可以通过库函数ctime(&time)转换为日历形式。

5.5.2 time系统调用

• time_t time(time_t *t) 以秒为单位返回当前时间，有一定的局限性，只提供以秒为单位的分辨率

5.5.3 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
};

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。