一、知识点归纳
（一）知识点内容
教材学习内容总结
通过学习本章理解定时器和定时服务。了解硬件定时器的原理和基于Intelx86的PC中的硬件定时器；理解CPU操作和中断处理。学习Linux中与定时器相关的系统调用、库函数和定时器服务命令。通过示例理解进程间隔定时器。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。定时器还可以防止任务和中断处理程序之间出现竞态条件。
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。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
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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。
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可编程间隔定时器（PIT）（Wang 2015）：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。
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多核CPU 中的本地定时器（Intel 1997;Wang 2015）：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。
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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，但它可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。
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。
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 operands;
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;
}
5.4 时钟服务函数
(1) gettimeofday-settimeofday
gettimeofday()函数用于获取系统时间。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。
(2) time系统调用
- 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
- 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。
(4) 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。
5.5 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 itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
有三类间隔定时器，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模式下执行时减少。在到期时生成一个SIGPROF(27)信号
5.6 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。
（二）苏格拉底挑战
1、问题一：
2、问题二：
二、问题与解决
（一）问题
对于下面这段代码，该怎么理解？
#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct timeval*tv,struct timezone *tz);
int settimeofday(const struct timeval *tv,const struct timezone *tz);
（二）解决
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。
三、实践过程与代码
（一）代码
1、制作间隔定时器
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
int count = 0;
struct itimerval t;
time_t start,end ;
void timer_handler(int sig){
end =time(NULL);
printf("timer_handler : signal %d count=%d , diff: %ld \n",sig, ++count,end -start);
start = end;
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 ;
signal (SIGVTALRM ,timer_handler);
timer.it_value.tv_sec = 0;
timer.it_value.tv_usec = 100000;
//every 1s afterward
timer.it_interval.tv_sec = 1;
timer.it_interval.tv_usec = 0;
// start a virtual itimer
start = time(NULL);
setitimer( ITIMER_VIRTUAL , &timer ,NULL );
printf("press Ctrl + C to terminate \n");
while(1);
}
2、设置时间
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
struct timeval t;
int main(){
int r;
t.tv_sec = 123456789;
t.tv_usec = 0;
r = settimeofday(&t,NULL);
if(!r){
printf("settimeofday() faild\n");
exit(1);
}
gettimeofday(&t,NULL);
printf("sec=%ld usec=%ld\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
printf("%s",ctime(&t.tv_sec));
}
（二）实践
1、实践1
2、实践2
