Linux操作系统分析（5）- 计时器

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Linux操作系统分析（5）- 计时器

2013年10月10日 ⁄ 综合 ⁄ 共 3098字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论关闭

一、提要

计时器属于操作系统中的基础组件，不管是用户空间的程序开发，还是内核空间的程序开发，很多时候都需要有定时器作为基础组件的支持。使用定时器的目的无非是为了周期性的执行某一任务，或者是到了一个指定时间去执行某一个任务。

本文首先讨论了在 Linux 环境下，计时器的分类与实现，并对相应的接口函数进行使用。

二、计时器的种类

RTC（Real Time Clock）

实时时钟，独立于CPU和其他所有芯片，能够在IRQ8上发出周期性的中断，频率在2Hz-8192Hz之间。

TSC（Time Stamp Counter）

时间戳计时器，主体是位于CPU里面的一个64位的TSC寄存器。每个CPU时钟周期其值加一。可以通过汇编语言指令rdtsc读这个寄存器。

PIT（Programmable Interval Timer）

可编程间隔定时器，通过发出一个特殊的中断来通知内核一个时间间隔过去了，PIT永远以内核确定的固定频率不停地发出中断。

APIC - CPU本地定时器

HPET - 高精度事件定时器

ACPI 电源管理定时器

三、计时体系的结构

内核会周期性地做下面的事：

1）更新系统启动以来所经过的时间;

2）更新时间和日期;

3）处理时间片的分配;

4）更新资源使用统计数;

5）检查每个软定时器的时间间隔是否已到。

计时器的初始化

1）初始化xtime变量（存放当前时间和日期）;

2）初始化wall_to_monotonic变量;

3）如果内核支持HPET，它将调用hpet_enable函数来确认ACPI固件是否探测到了该芯片并将它的寄存器映射到了内存地址空间中;

4）调用select_timer()来挑选系统中可利用的最好的定时器资源（精度优先），设置cur_timer变量指向该定时器资源对应的定时器对象的地址;

5）调用setup_irq(0,&irq0)来创建与IRQ0相应的中断门，IRQ0引脚连接着系统时钟的中断源（PIT或者HPET）.

时钟终端处理程序的执行

1）在xtime_lock顺序锁上产生一个write_seqlock()来保护与定时器相关的内核变量;

2）执行cur_timer定时器对象的mark_offset方法。cur_timer指向的定时器在计时器的初始化已确定;

3）调用do_timer_interrupt()函数;

4）调用write_sequnlock释放xtime_lock顺序锁;

5）返回1,报告中断已经有效处理了。

Linux考虑两种类型的定时器，动态定时器（dynamic timer）和间隔定时器（interval timer）。第一种类型由内核使用，后者可以由进程在用户态创建。

创建动态定时器的步骤

1）创建一个新的timer_list对象（静态全局变量、定义局部变量、动态分配）;

2）调用init_timer(&t)初始化这个对象;

3）把定时器到期时要激活的函数地址放入function字段;

4）如果动态定时器还没有被插入到链表中，如expires字段赋一个合适的值并调用add_timer(&t)把t插入链表;

5）如已插入，调用mod_timer()来更新expires字段。

三、计时器的使用

unsigned int alarm(unsigned int seconds);
函数说明: alarm()用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds指定的秒数后传送给目前的进程。如果参数seconds为0，则之前设置的闹钟会被取消，并将剩下的时间返回。

返回值: 返回之前闹钟的剩余秒数，如果之前未设闹钟则返回0。
alarm()执行后，进程将继续执行，在后期(alarm以后)的执行过程中将会在seconds秒后收到信号SIGALRM并执行其处理函数。

例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void alarm_handler(int a){
	printf("Timer is up!\n");
	alarm(3);
}

int main()
{
	signal(SIGALRM,alarm_handler);
	alarm(1); 	while(1) {};
	return 1;
}

执行结果：

int setitimer(int which, const struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue));
setitimer()比alarm功能强大，支持3种类型的定时器：

ITIMER_REAL : 以系统真实的时间来计算，它送出SIGALRM信号。
ITIMER_VIRTUAL : -以该进程在用户态下花费的时间来计算，它送出SIGVTALRM信号。
ITIMER_PROF : 以该进程在用户态下和内核态下所费的时间来计算，它送出SIGPROF信号。
setitimer()第一个参数which指定定时器类型（上面三种之一）；第二个参数是结构itimerval的一个实例；第三个参数可不做处理。
setitimer()调用成功返回0，否则返回-1。

相关结构体：

struct itimercal：
struct itimerval {
struct timeval it_interval; /* timer interval */
struct timeval it_value; /* current value *
};

struct timeval {
　　　 long tv_sec;
　　　 long tv_usec;
};

itimerval结构中的it_value是减少的时间,当这个值为0的时候就发出相应的信号了. 然后再将it_value设置为it_interval值.这样就实现了轮询的定时，而不是想alarm那样只能定时一次，而且其精确度也很高。

例子：

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

void alarm_handler(int sig){
	switch(sig)
	{
		case SIGALRM:
			printf("Catch a SIGALRM!\n");
			break;
		case SIGVTALRM:
			printf("Catch a SIGVTALRM!\n");
			break;
	}
	return;
}

int main()
{
	struct itimerval value, ovalue, value2;          
    signal(SIGALRM, alarm_handler);
    signal(SIGVTALRM, alarm_handler);
    value.it_value.tv_sec = 1;
    value.it_value.tv_usec = 0;
    value.it_interval.tv_sec = 1;
    value.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &value, &ovalue);
    value2.it_value.tv_sec = 0;
    value2.it_value.tv_usec = 500000;
    value2.it_interval.tv_sec = 0;
    value2.it_interval.tv_usec = 500000;
    setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &value2, &ovalue);
    while(1);
	return 1;

}

执行：