一、知识点归纳

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。

2、个人计算机定时器

基于Intel x86的个人计算机有数个定时器(Bovet和Cesati 2005)。

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)(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。

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。

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。

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;
}

在以上各步骤中，由于无效地址、非法指令、越权等原因，可能会出现一个错误状态，称为异常或陷阱。当CPU遇到异常时，它会根据内存中预先安装的指针来执行软件中的异常处理程序。在每条指令执行结束时，CPU会检查挂起的中断。中断是I/O设备或协处理器发送给CPU的外部信号，请求CPU服务。如果有挂起的中断请求，但是CPU未处于接受中断的状态，即它的状态寄存器已经屏蔽了中断，CPU会忽略中断请求，继续执行下一条指令。否则，它将直接执行中断处理。在中断处理结束时，它将恢复指令的正常执行。中断处理和异常处理都在操作系统内核中进行。在大多数情况下，用户级程序无法访问它们，但它们是理解操作系统(如Linux)定时器服务和信号的关键。

4 、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(Intel 1990；Wang 2015)，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(AMD64 2011)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 、时钟服务函数

在几乎所有的操作系统(OS)中，操作系统内核都会提供与时钟相关的各种服务，时钟服务可通过系统调用、库函数和用户级命令调用。在本节中，我们将介绍Linux的一些基本时钟服务函数：

5.1 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。以下是如何获取以秒为单位的系统时间的示例代码：

/************ time.c file ***********/
#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 < 123456789; i++); // delay to simulate computation
    end = time(NULL);
    printf("end=%ld time=%ld\n", end, end - start);
}

输出应打印开始时间、结束时间以及从开始到结束的秒数。

5.2 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(如有)。

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。因此，（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一因此，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。我们将在本章末尾解释编程项目中的定时器队列。

7、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进程发出的信号可看作是对基本系统虚拟CPU的中断。为Linux进程创建一个REAL模式间隔定时器。编写间隔定时器程序，每10毫秒生成一个SIGALRM信号。安装一个SIGALRM信号捕捉器，作为虚拟CPU的定时器中断处理程序。在定时器中断处理程序中，记录经过的秒数、分钟数和小时数。下面给出了所需的扩展代码段：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void thandler(int sig)
{
    // count the number of timer ticks; update sb, mm, hh 
    // print a message every second
}

int main()
{
    signal(SIGALRM, thandler);
    struct itimerval t;
    t.it_value.tv_sec = 0;
    t.it_value.tv_usec = 10000;
    t.it_interval.tv_sec = 0;
    t.it_interval.tv_usec = 10000; 
    setitimer(ITIMER_REAL, &t, NULL);
    
    // Initialize sb, mm, hh
    
    while (1) {
        // Your code to update sb, mm, hh
    }
    
    return 0;
}