第五章 定时器及时钟服务

一、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。

二、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。

三、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（push\pop调用和返回）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 operandis;

(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 interrupts; may handle interrupts;

}

四、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,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。

五、时钟服务函数

1. gettimeofday-settimeofday系统调用
   gettimeofday()函数用于返回当前时间(当前秒的秒和微秒)。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。

#include <sys/time.h>


int gettimeofday(struct timeval*tv,struct timezone *tz);


int settimeofday(const struct timeval *tv,const struct timezone *tz);

这些是对Linux内核的系统调用。第一个参数tv指向一个timeval结构体

struct timeval {
time_t   tv_BeC;    /* secondg */tV_ugec;
suseConds_t   tv_usec    /* microseconds * /);

第二个参数 timezone已过期，应设置为NULL。gettimeofday（）函数用于返回当前时间（当前秒的秒和微秒）。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。

2. 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。

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

);

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。

六、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 itimerval *new_value,

struct itimerva1 *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）。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）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（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。

七、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。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。

代码实践

1. gettimeofday() 获取当前时间：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>

int main()
{
    struct timeval tv;

    gettimeofday(&tv, NULL);

    printf("tv_sec: %d\n", tv.tv_sec);
    printf("tv_usec: %d\n", tv.tv_usec);

    return 0;
}

2. time() 函数获取当前时间:

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

int main()
{
    time_t seconds;

    seconds = time((time_t *)NULL);
    printf("%d\n", seconds);

    return 0;
}

3. localtime_r() localtime()取得当地目前时间和日期:

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

int main()
{
    time_t timep;
    struct tm *p;

    time(&timep);
    p = localtime(&timep);

    printf("%d-%d-%d %d:%d:%d\n", (1900 + p->tm_year), ( 1 + p->tm_mon), p->tm_mday,
                                (p->tm_hour + 12), p->tm_min, p->tm_sec);

    return 0;
}