操作系统-之-时钟子系统

2024-10-25 约 3533 字预计阅读 8 分钟

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操作系统之 ③ 时钟子系统

概述

时钟子系统 是操作系统中至关重要的一部分，负责管理系统的时间和定时功能。它的主要职责包括：
时间管理： 提供系统时间的获取和管理，确保操作系统和应用程序能够正确获取当前时间。
任务调度： 通过定时器和时间片控制多任务的执行，确保每个任务都能在合理的时间内运行（在任务调度章节里时我们可以直到任务的调度和系统时间是紧密联系在一起的），提高系统的响应速度和资源利用率。
时钟中断： 定期产生中断信号，通知内核执行调度和其他时间相关的操作。
系统心跳： 维持系统的正常运行，保证各个子系统之间的同步
高精度计时： 支持高精度的定时器可以满足时间敏感的应用需求，在实时操作系统、视频音乐的播放等等中需求高

核心模块

1> 时钟中断

概述

时钟中断 是操作系统中调度机制的基础，它是一种由硬件定时器定期产生的中断信号，提供操作系统执行一系列时间相关的任务和操作。他是操作系统用于管理任务调度、系统时间和定时器服务的关键机制。它确保系统能够实时更新状态、精确控制任务的执行顺序，并维持系统的正常运行。通过定时产生中断信号，操作系统能有效管理多任务环境中的 CPU 资源，实现高效的调度和响应。

详细解释

1> 来源： 时钟中断通常是由硬件定时器（如 Programmable Interval Timer、PIT）或更现代的计时器（如 APIC、HPET）产生。定时器被配置为在特定时间间隔产生中断信号，这个间隔可以是几毫秒到几微秒不等。
2> 触发机制：
硬件计时器 会按照预设的时间间隔计数，当计数器达到设定值时，会向 CPU 发送一个中断信号。这个信号会中断当前正在执行的进程。
CPU 收到中断信号后，立即暂停当前正在执行的任务，保存任务的上下文信息（如寄存器状态、程序计数器等等）。
接着 CPU 跳转到内核的中断处理程序，执行预定义的时钟中断处理任务（更新系统时间、任务调度、处理定时器事件、统计和监护、维护系统心跳等等）
3> 作用：
任务调度： 时钟中断触发调度器，操作系统会检查当前任务的时间片是否用尽，如果用尽，操作系统会切换到下一个任务。通过系统中断，系统能够公平地分配 CPU 时间给所有任务。
维护系统时间： 每次发生时钟中断时，操作系统会更新系统地时间变量，从而保证系统能够正确地记录和管理当前的时间。这也是实现系统调用如 gettimeofday() 等功能的基础。
定时器服务： 时钟中断可以用于处理用户设定的定时任务（定时器超时任务等等）。当用户设定了一个定时任务，系统通过时钟中断来检测定时任务是否到期，并执行相关操作。
系统心跳： 时钟中断用于产生系统心跳信号，维持系统的正常运行。定期的心跳中断确保各个系统组件保持同步。
在 Linux 中的中断处理程序代码实现：
// 时钟中断处理程序，当定时器硬件触发中断时，该函数会被调用
irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev_id) {
    // 更新系统时间
    update_system_time();
    
    // 调用调度器，判断是否需要切换任务
    scheduler_tick();

    // 检查是否有定时器到期
    check_timers();

    return IRQ_HANDLED;
}

2> 定时器

概述

定时器 是操作系统中用于在指定的未来时间点触发莫格时间或操作的机制。定时器应用于包括任务的延时执行、周期性任务、事件计时、系统超时检测等。操作系统内核中的定时器主要依赖时钟中断来实现，时钟中断定期出发后，操作系统会检查是否有定时器到期。
核心任务：
设置定时器的到期时间。
检测定时器是否到期并执行指定的回调函数。
支持多种定时器模式（如单次触发或周期触发）

主要内容

1> 定时器结构：

到期时间： 定时器在未来触发的具体时间点。
回调函数： 定时器到期时要执行的函数。
定时器模式： 定时器是单次执行还是周期性执行。

下面是简化的定时器结构体定义：

typedef struct {
    unsigned long long expires; // 定时器到期时间（相对于系统启动时间）
    void (*function)(void *);   // 到期是执行的回调函数
    void *data;                 // 回调函数的参数
    int periodic;               // 定时器模式，单次执行(0) or 周期执行(1)
} Timer;

2> 定时器检查与处理： 时钟中断每次触发时，操作系统会检查定时器集列表，找出那些已经到期的定时器并执行回调函数。

void check_timers(void) {
    unsigned long long currTime = get_system_time();

    // 遍历定时器列表，检查是否有到期的定时器
    //定时列表也可以抽象成一个数组，遍历数组即可
    struct Timer *timer;
    for_timer_in_timeList(timer) {
        if (timer->expires <= currTime) { // 已过期
            // 调用定时器的回调函数
            timer->function(timer->data);

            // 如果是周期性定时器，重新设置下次的触发时间
            if (timer->periodic) {
                timer->expires += PERIODIC_INTERVAL;
            } else { // 如果是单次定时器，就直接删除
                remove_timer(timer);
            }
        }
    }
    return ;
}

3> 用户态接口： 操作系统提供给用户程序的接口通常包括设置定时器，取消定时器等系统调用。例如，在 Linux 中，settimer() 和 alarm() 是常用的定时器系统调用。

// 设置用户态定时器
int sys_setitimer(int which, struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value)
{
    // 将定时器信息传递到内核中进行处理
    struct timer_list user_timer;
    user_timer.expires = new_value->it_value.tv_sec * 1000 + new_value->it_value.tv_usec / 1000;
    user_timer.function = user_defined_callback;

    // 添加到内核定时器列表
    add_timer(&user_timer, user_timer.expires);

    return 0;
}

3> 系统时间管理

概述

系统时间管理 是操作系统中用于维护、获取和操作系统时间的机制。它确保系统能够跟踪当前时间、处理与时间相关的事件，并提供接口供应程序使用。系统时间管理的核心功能包括时间的 获取、更新、格式化 以及相关的系统调用。