20191330雷清逸 學習筆記8
20191330 雷清逸 學習筆記8（第五章）
一、知識點歸納以及自己最有收穫的內容
知識點歸納
摘要
本章討論了定時器和定時器服務；介紹了硬體定時器的原理和基於Intel x86的 PC 中的硬體定時器；講解了 CPU操作和中斷處理；描述了Linux中與定時器相關的系統呼叫、庫函式和定時器服務命令；探討了程序間隔定時器、定時器生成的訊號，並通過示例演示了程序間隔定時器。程式設計專案的目的是要在一個多工處理系統中實現定時器、定時器中斷和間隔定時器。多工處理系統作為—個Linux程序執行，該系統是 Linux程序內併發任務的一個虛擬 CPU。Linux 程序的實時模式間隔定時器被設計為定期生成SIGALRM訊號，充當虛擬CPU的定時器中斷，虛擬CPU使用SIGALRM訊號捕捉器作為定時器的中斷處理程式。該專案可讓讀程序通過定時器佇列實現任務間隔定時器，還可讓讀程序使用Linux 訊號掩碼來實現臨界區，以防止各項任務和中斷處理程式之間出現競態條件。
最有收穫的部分
- 有關硬體定時器的相關知識
- 有關個人計算機定時器的相關知識
- 有關CPU操作的知識
- 有關中斷處理的知識
- 有關時鐘服務函式的知識
- 有關間隔定時器的知識
硬體定時器
- 定時器是由時鐘源和可程式設計計數器組成的硬體裝置。時鐘源通常是一個晶體振盪器，會產生週期性電訊號，以精確的頻率驅動計數器。
- 計數器週期稱為定時器刻度，是系統的基本計時單元。
個人計算機定時器
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1.實時時鐘（RTC）:
（1）RTC由一個小型備用電池供電。即使在個人計算機關機時，它也能繼續執行。它用於實時提供時間和日期資訊。
（2）在所有類Unix系統中，時間變數是一個長整數，包含從1970年7月1日起經過的秒數。
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2.可程式設計間隔定時器（PIT）（Wang2015）：
（1）PIT是與CPU分離的一個硬體定時器。
（2）可對它進行程式設計，以提供以毫秒為單位的定時器刻度。
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3.多核CPU中的本地定時器（Intel 1997；Wang 2015）：
（1）在多核CPU中，每個核都是一個獨立的處理器，它有自己的本地定時器，由CPU時鐘驅動。
4.高解析度定時器：
（1）大多數電腦都有一個時間戳定時器（TSC），由系統時鐘驅動。
CPU操作
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每個CPU都有一個程式計數器（PC），也稱為指令指標（IP），以及一個標誌或狀態暫存器（SR）、一個堆疊指標（SP）和幾個通用暫存器，當PC指向記憶體中要執行的下一條指令時，SR包含CPU的當前狀態，如操作模式、中斷掩碼和條件碼，SP指向當前堆疊棧頂。
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在以上各步驟中，由於無效地址、非法指令、越權等原因，可能會出現一個錯誤狀態，稱為異常或陷阱。
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中斷是I/O裝置或協處理器傳送給CPU的外部訊號，請求CPU服務。
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中斷處理和異常處理都在作業系統核心中進行。在大多數情況下，使用者級程式無權訪問它們，但它們是理解作業系統（如Linux）定時器服務和訊號的關鍵。
中斷處理
- 外部裝置（如定時器）的中斷被饋送到中斷控制器的預定義輸入行（Intel 1990；Wang 2015）,按優先順序對中斷輸入排序，並將具有最高優先順序的中斷作為中斷請求（IRQ）路由到CPU。
- 對於每個中斷，可以程式設計中斷控制器以生成一個唯一編號，叫做中斷向量，標識中斷源。在獲取中斷向量號後，CPU用它作為記憶體中中斷向量表（AMD64 2011）中的條目索引，條目包含一個指向中斷處理程式入口地址的指標來實際處理中斷。
時鐘服務函式
時鐘服務可通過系統呼叫、庫函式和使用者級命令呼叫。
以下是Linux的一些基本時鐘服務函式：
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gettimeofday-settimeofday
#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct timeval *tv,struct timezone *tz);
int settimeofday(const struct timeval *tv,const struct timezone *tz);
這是對Linux核心的系統呼叫；settimeofday()函式用於設定當前時間；它可以通過庫函式ctime（&time）轉化為日曆形式。
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time系統呼叫
time_t time(time_t *t)
該函式會以秒為單位返回當前時間
time系統呼叫具有一定的侷限性，只提供以秒為單位的解析度，而不是以微秒為單位。
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times系統呼叫
clock_t times(struct tms *buf)
該函式可用於獲取某程序的具體執行時間。它將程序時間儲存在struct tms buf中
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time和date命令
- date：列印或設定系統日期和時間。
- time：報告程序在使用者模式下和系統模式下的執行時間和總時間。
- hwclock：查詢並設定硬體時鐘（RTC），也可以通過BIOS來完成。
間隔定時器
Linux為每個程序提供了三種不同型別的間隔計時器。
間隔計時器由setitimer()系統呼叫建立。getitimer()系統呼叫返回間隔定時器的狀態。
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分類：
（1）ITIMER_REAL：實時減少，在到期時生成一個SIGALRM(14)訊號。
（2）ITIMER_VIRTUAL：僅當程序在使用者模式下執行時減少，在到期時生成一個SIGVTALRM(26)訊號。
（3）ITIMER_PROF:當程序正在使用者模式和系統（核心）模式下執行時減少。
函式getitimer()用當前值填充curr_value指向的結構體，即引數which(ITIMER_REAL、ITIMER_VIRTUAL或ITIMER_PROF三者之一)指定的定時器在下次到期之前剩餘的時間。
REAL模式間隔定時器
- VIRTUAL和PROF模式下的間隔計時器僅在執行程序時才有效。這類定時器的資訊可儲存在各程序的PROC結構體中。
- 在大多數作業系統核心中，使用的資料結構都是定時器佇列。
二、問題與解決思路
問題：Linux下的定時器有sleep，usleep，nanosleep等等，它們有什麼區別呢？
答：經過對相關資料的查閱，發現它們的區別如下：
sleep()和nanosleep()都是使程序睡眠一段時間後被喚醒，但是二者的實現完全不同。
Linux中並沒有提供系統呼叫sleep()，sleep()是在庫函式中實現的，它是通過呼叫alarm()來設定報警時間，呼叫sigsuspend()將程序掛起在訊號SIGALARM上，sleep()只能精確到秒級上。
nanosleep()則是Linux中的系統呼叫，它是使用定時器來實現的，該呼叫使呼叫程序睡眠，並往定時器佇列上加入一個timer_list型定時器，time_list結構裡包括喚醒時間以及喚醒後執行的函式，通過nanosleep()加入的定時器的執行函式僅僅完成喚醒當前程序的功能。系統通過一定的機制定時檢查這些佇列（比如通過系統呼叫陷入核心後，從核心返回使用者態前，要檢查當前程序的時間片是否已經耗盡，如果是則呼叫schedule()函式重新排程，該函式中就會檢查定時器佇列，另外慢中斷返回前也會做此檢查），如果定時時間已超過，則執行定時器指定的函式喚醒呼叫程序。當然，由於系統時間片可能丟失，所以nanosleep()精度也不是很高。
alarm()也是通過定時器實現的，但是其精度只精確到秒級，另外，它設定的定時器執行函式是在指定時間向當前程序傳送SIGALRM訊號。
三、實踐內容與截圖，程式碼連結
實踐內容為書本P162-163頁的示例5.1，示例5.2及示例5.3
- 示例5.1（gettimeofday系統呼叫）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
struct timeval t;
int main()
{
gettimeofday(&t,NULL);
printf("sec: %ld usec=%ld\n", t.tv_sec,t.tv_usec);
printf((char *)ctime(&t.tv_sec));
}
實踐截圖如下：
- 示例5.2（settimeofday系統呼叫）
#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() failed\n");
exit(1);
}
gettimeofday(&t,NULL);
printf("sec=%ld usec=%ld\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
printf("%s",ctime(&t.tv_sec));
}
實踐截圖如下：
- 示例5.3（time系統呼叫）
#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++)
end = time(NULL);
printf("end =%ld time=%ld\n",end,end-start);
}
實踐截圖如下：