《信息安全系统设计与实现》学习笔记8

第5章 定时器及时钟服务

教材学习内容总结

本章讨论了定时器和定时器服务;介绍了码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;指述了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器、定时器生成的信号，并通过示例演示了进程间隔定时器。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。多任务处理系统作为一个Linux进程星运行，该系统是 Linux 进程内并发任务的-个虚拟CPU。Linux 进程的实时模式间隔定时器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该项目可让读进程通过定时器队列实现任务间限高定时器，还可让读进程使用 Linux 信号掩码来实现临界区，以防止各项任务和中断处理程序之间出现竞态条件。

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额个人计算机有数个定时器（Bovet和Cesati 2005）

（1）实时时钟RTC

实时时钟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

可编程间隔定时器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IO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,它有自已的本地定时器，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率。

3、时钟服务函数

（1）gettimeofday-settimeofday

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。第一个参数tv指向一个timeval结构体，第二个参数tz设置为NULL，表示对相关的信息不感兴趣。

#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct tim *tv, struct timezone *tz);
int settimeofday(const struct tim *tv , const struct timezone *tz);

struct timeval{
    time_t      tv_sec;    
    suseconds_t tv_usec;   
};

（2）time系统调用

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。

#include <time.h>
time_t time(time_t *t);

（3）times系统调用

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

struct tms {
    clock_t tms_utime;
    clock_t tms_stime;
    clock_t tms_cutime;
    clock_t tms_cstime;
};

其中：

tms_utime为程序在用户态下运行的时间。 
tms_stime为程序在内核态下运行的时间。 
tms_cutime为程序的所有子进程用户态下运行的时间。 
tms_cstime为程序的所有子进程内核态下运行的时间。

（4）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。

4、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。
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模式下执行时减少。在到期时生成一个SIGPROF（27）信号。

5、实践

实验环境：openeuler

gettimeofday（）函数

#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>

main()
{
        struct timeval tv;
        gettimeofday(&tv,NULL);
        printf("tv_sec  : %d\n", tv.tv_sec);
        printf("tv_usec : %d\n", tv.tv_usec);
}

time系统调用

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

int main ()
{
        time_t seconds;
        seconds = time(NULL);

        printf("自1970年1月1日起的秒数为 %ld \n", seconds);
        printf("自1970年1月1日起的小时数为 %ld \n", seconds/3600);

        return(0);
}