摘要：

• 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;探讨了进程间隔定时器、定时器生成的信号。
• 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。
• Linux 进程的实时模式间隔定时器被设计为定期生成SIGALRM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。

一、知识点归纳

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。
  • 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

• time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：

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;    
)；

二、实践解决问题

问题：Linux里如何用C编程实现gettimeofday系统调用

解决思路：

编写C代码实现gettimeofday（）系统调用来获取系统时间

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/time.h>

struct timeval t;

int main()

{

gettimeofday(&t,NULL);

printf("sec=%ld usec=%d\n", t.tv_sec, t.tv_usec);

printf((char *)ctime(&t.tv_sec));

}