20191317王鹏宇第五章学习笔记

第五章：定时器及时钟服务

知识点归纳总结：

本章讨论了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，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进程运行，该系统是Linux进程内并发任务的一个虚拟CPU, Linux进程的实时模式间隔定时器被设计为定期生成S1GALRM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。

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其中让我最有收获的几个部分如下：

• CPU操作
• 中断处理
• 时钟服务函数
• 间隔计时器
• 编程项目样例代码

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时钟服务函数：

`gettimeofday()`使用gettimeofday()来查看当前时间，这个函数会计算从1970年1月1号00:00（UTC）到当前的时间跨度。 > 说明：在使用gettimeofday()函数时，第二个参数一般都为空，因为我们一般都只是为了获得当前时间，而不用获得timezone的数值

其函数原型如下:

#include <sys/time.h>
// 调用成功返回0，失败返回-1
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);

struct timeval {
    time_t      tv_sec;     /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;    /* microseconds */
};

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示例代码：

/************gettimeofday.c file**********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>

struct timeval t;

int main()
{
    gettimeofday(&t,NULL);
    printf("sec=%ld usec=%d\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
    printf("%s",(char *)ctime(&t.tv_sec));
}

实践截图：

settimeofday 设置当前时间戳,settimeofday()会把目前时间设成由tv 所指的结构信息，当地时区信息则设成tz 所指的结构。

#include <time.h>

int settimeofday(const struct timeval *tv , const struct timezone *tz);

struct timeval {undefined
    time_t      tv_sec;     /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;    /* microseconds */

};

示例函数：

/***********settimeofday.c file*************/
#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;
    /*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));
    
}

实践截图：

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。

#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);
}

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
定时器仅在进程以 用户模式执行时才减少计时。该定时器设置为完成最初100毫秒计时后开始计时：然后，它以1秒为周期运行。当定时器计时减少为0时，它会向进程发出一个SIGVTALRM ( 26 )信 号。如果进程未安装该信号的捕捉器，将会对该信号进行默认处理，即终止:在这种情况 下，进程将以信号数26终止。如果进程安装了信号捕捉器.Linux内核会让进程执行信号 捕捉器，以用户模式处理信号、在间隔时间开始之前，程序通过以下代码安装SIGVTALRM 信号的信号捕捉器；
void timer_handler(int sig)
signal(SIGALRMZ timer_handler)
安装信号捕捉器后，程序启动定时器，然后在while(l)循环中执行-当在循环中执行时，每个硬件中断(例如来自硬件定时器的中断)都会导致CPU以及在CPU上执行的进程进入Linux内核来处理中断，当进程处于内核模式时，会检查待处理信号。如有待处理信号，它会试图先处理信号再返回用户模式。在这种情况下，SIGVTALRM信号将导致进程在用户模式下执行信号捕捉器,由于信号定时器程程序设计为每秒生成一个信号，进程将每秒执行一次timer_handler(),使打印消息像脉冲星一样每秒显示一次。
信号捕捉函数timer_handler()可计算定时器的时间结束次数当计数达到规定值(例如8)时，它用定时器值0来取消setitimer()设置的间隔定时器。虽然定时器已经停止，但进程仍在无限while(l)循环中执行。 在这种情况下，从键盘按下"Ctrl+C”组合键，可以使进程以SIGINT(2)信号终止。

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

int count = 0;
struct itimerval t;

void timer_handler(int sig)
{
    printf("timer_handler : signal = %d count = %d\n", sig, ++count);
    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 = 10000;

    timer.it_interval.tv_sec = 1;
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &timer,NULL);
    printf("looping : enter Control-C to terminate\n");
    while(1);
}

实践截图：

编程项目示例

ts.s file:

#-----------ts. s file-----------+		 
.global tswitch, scheduler, running 
tswitch:
SAVE:   pushal
        pushfl
        movl running, %ebx
        movl %esp , 4(%ebp)
FIND:   call scheduler
RESUME: movl running, %ebx
        movl 4(%ebx), %esp
        popfl
        popal
        ret

---

t.c file:

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

#define NPROC	9
#define SSIZE	1024
// PROC status	
#define FREE	0
#define READY	1
#define SLEEP	2
#define BLOCK	3
#define PAUSE	4
#define ZOMBIE  5

typedef struct	proc {  
    struct proc	*next;
    int ksp;	//
    int pid;	//
    int priority;	//
    int status;	//
    int event;	//
    int ppid;
    int exitStatus;
    int joinPid;	
    int time;	//
    int pause;	//
    int stack[SSIZE];	//
}PROC;	

PROC proc[NPROC];
PROC *freeList, *readyQueue, *running;
PROC *sleepList;
PROC *pauseList;
#include "queue.c"
//#include "wait.c" 

int menu()
{
    printf("**********menu**********\n");
    printf("* creat switch exit ps *\n");
    printf("************************\n");
}

int init()
{
    int i, j;
    PROC *p;
    for (i=0; i<NPROC; i++)
    {
        p = &proc[i];
        p->pid = i;
        p->priority = 1;
        p->status = FREE; 
        p->event = 0; 
        p->next = p+1;
    }
    proc[NPROC-1].next = 0;
    freeList = &proc[0];	// all PROCs in freeList
    readyQueue = 0;
    sleepList = 0;
    pauseList = 0;
    // create P0 as initial running task 
    running = dequeue(&freeList);
    running->status = READY;
    running->priority = 0; // P0 has lowest priority 0 
    printList("freeList", freeList);
    printf("init complete: P0 running\n");
}

int do_exit()
{
    printf("task %d exit: ", running->pid); 
    running->status = FREE; 
    running->priority = 0;
    enqueue(&freeList, running);
    printList("freeList", freeList); 
    tswitch();
}

int do_ps()
{
    printf("---------ps---------\n");
    printList("readyQueue", readyQueue);
    printList("sleepList ", sleepList);
    printf ("-------------------\n"); 
}

int create(void (f)(), void *parm) // create a new task
{
    int i;
    PROC *p = dequeue(&freeList);
    if (!p)
    {
        printf("create failed\n");
        return -1;
    }
    p->ppid = running->pid;
    p->status = READY;
    p->priority = 1;
    for (i=1; i<12; i++)
        p->stack[SSIZE-i] = 0;

    p->stack[SSIZE-1] = (int)parm;
    p->stack[SSIZE-2] = (int)do_exit;
    p->stack[SSIZE-3] = (int)f;
    p->ksp = &p->stack[SSIZE-12];
    enqueue(&readyQueue, p);
    printf("%d created a new task %d\n", running->pid, p->pid); 
    return p->pid;
}

int func(void *parm)
{
    char line[64], cmd[16];
    printf("task %d start: parm = %d\n", running->pid, parm); 
    while(1)
    {
        printf("task %d running\n", running->pid);
        menu();
        printf("enter a command line:");
        fgets(line, 64, stdin);
        line[strlen(line)-1] = 0; // kill \n at end of line 
        sscanf(line, "%s", cmd);
        if (strcmp(cmd, "create")==0)
            create((void *)func, 0);
        else if (strcmp(cmd, "switch")==0)
            tswitch();
        else if (strcmp(cmd, "exit")==0)
            do_exit();
        else if (strcmp(cmd, "ps")==0)
            do_ps();
    }
}

int main()
{
    int i;
    printf("Welcome to the MT multitasking system\n"); 
    init();
    for (i=1; i<5; i++)	// create tasks
        create((void *)func, 0);
    printf("P0 switch to Pl\n");
    while(1)
    {
        if (readyQueue) 
            tswitch();
    }
}
int scheduler()
{
    if (running->status == READY)
    enqueue(&readyQueue, running);
    running = dequeue(&readyQueue);
    printf("next running = %d\n", running->pid);

}

项目运行截图：