【读书笔记-《30天自制操作系统》-11】Day12

news2024/9/24 21:26:51

从本篇内容开始讲解定时器。本篇内容比较简单，首先介绍定时器的概念与设置方法，然后介绍超时的中断处理，并对中断处理函数进行了优化。
在这里插入图片描述

1. 定时器

定时器是操作系统中十分重要的功能。它的原理很简单，只是每隔一段时间发送一个中断给CPU。如果想要知道过了多长时间，只需要在中断处理程序中记录中断的次数就可以计算得到。

管理定时器也很简单，只需要对PIT(Programmable Interval Timer的缩写)进行设置即可。通过对PIT的设置，可以设置定时器每隔多长时间发送一次中断。PIT连接着IRQ的0号中断。设置PIT需要的命令如下：

  • AL = 0x34;OUT(0x43, AL);
  • AL = 中断周期的低8位；OUT(0x40, AL)
  • AL = 中断周期的高8位；OUT(0x40, AL)

实际设置的中断频率 = 单位时间时钟周期数(主频)/设定的数值
根据当前的主频，如果设定11932，则中断频率位100Hz，即10ms发生一次中断。把11932换算为16进制，则是0x2e9c。

设置PIT相关程序如下：

#define PIT_CTRL	0x0043
#define PIT_CNT0	0x0040

void init_pit(void)
{
	io_out8(PIT_CTRL, 0x34);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x9c);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x2e);
	return;
}

在主程序中调用init_pit函数：

struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;
	char s[40], keybuf[32], mousebuf[128];
	int mx, my, i;
	unsigned int memtotal, count = 0;
	struct MOUSE_DEC mdec;
	struct MEMMAN *memman = (struct MEMMAN *) MEMMAN_ADDR;
	struct SHTCTL *shtctl;
	struct SHEET *sht_back, *sht_mouse, *sht_win;
	unsigned char *buf_back, buf_mouse[256], *buf_win;

	init_gdtidt();
	init_pic();
	……

涉及到了中断，则需要将中断处理函数注册到IDT中，这些也是前面讲过的内容了。

	/* 注册IDT*/
	set_gatedesc(idt + 0x20, (int) asm_inthandler20, 2 * 8, AR_INTGATE32);
	set_gatedesc(idt + 0x21, (int) asm_inthandler21, 2 * 8, AR_INTGATE32);
	set_gatedesc(idt + 0x27, (int) asm_inthandler27, 2 * 8, AR_INTGATE32);
	set_gatedesc(idt + 0x2c, (int) asm_inthandler2c, 2 * 8, AR_INTGATE32);

_asm_inthandler20:
		PUSH	ES
		PUSH	DS
		PUSHAD
		MOV		EAX,ESP
		PUSH	EAX
		MOV		AX,SS
		MOV		DS,AX
		MOV		ES,AX
		CALL	_inthandler20
		POP		EAX
		POPAD
		POP		DS
		POP		ES
		IRETD

void inthandler20(int *esp)
{
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	/* 通知PIC, IRQ-00中断受理完毕 */
	/* 暂时无内容 */
	return;
}

这样定时器的中断处理就完成了。接下来就在中断处理中进行计时：

struct TIMERCTL {
	unsigned int count;
};

struct TIMERCTL timerctl;

void inthandler20(int *esp)
{
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	
	timerctl.count++;
	return;
}

新建了timerctl结构体，每次进入中断处理函数时就对其中的count变量增加1。在主程序中将count实时显示出来，根据之前的设置，每秒钟显示的数值会增加100。

	for (;;) {
		sprintf(s, "%010d", timerctl.count);
		boxfill8(buf_win, 160, COL8_C6C6C6, 40, 28, 119, 43);
		putfonts8_asc(buf_win, 160, 40, 28, COL8_000000, s);
		sheet_refresh(sht_win, 40, 28, 120, 44);
		……

这样就可以测量一段确定的时间间隔了。
在这里插入图片描述
2. 超时与中断处理

2.1 超时处理

可以通过定时器记录一段时间间隔，那么操作系统就可以实现这样一种功能：
经过一段时间间隔后，进行某种特定的操作。这样的功能就被称为超时(timeout)。

为了实现这一功能，首先完善结构体TIMERCTL:

struct TIMERCTL {
	unsigned int count;
	unsigned int timeout;
	struct FIFO8 *fifo;
	unsigned char data;
};

其中timeout用来记录距离超时还有多长时间，这个时间达到0，则程序向缓冲区fifo中发送数据，这样来通知操作系统。
相关的函数修改如下：

void init_pit(void)
{
	io_out8(PIT_CTRL, 0x34);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x9c);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x2e);
	timerctl.count = 0;
	timerctl.timeout = 0;
	return;
}

void inthandler20(int *esp)
{
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	
	timerctl.count++;
	if (timerctl.timeout > 0) { /* 设置好了超时时间 */
		timerctl.timeout--;
		if (timerctl.timeout == 0) {
			fifo8_put(timerctl.fifo, timerctl.data);
		}
	}
	return;
}

void settimer(unsigned int timeout, struct FIFO8 *fifo, unsigned char data)
{
	int eflags;
	eflags = io_load_eflags();
	io_cli();
	timerctl.timeout = timeout;
	timerctl.fifo = fifo;
	timerctl.data = data;
	io_store_eflags(eflags);
	return;
}

在init_pit函数中首先将count和timeout变量初始化为0，而settimer函数用于给结构体其他成员赋值，尤其是设置好timeout。超时后的实际操作放在了inthandler20函数中实现。为了防止中断混乱，在settimer函数中还是先禁用了中断。
结合以上函数，在主程序中进行如下的实现：

void HariMain(void)
{
	……
	struct FIFO8 timerfifo;
	char s[40], keybuf[32], mousebuf[128], timerbuf[8];
	……
	fifo8_init(&keyfifo, 32, keybuf);
	settimer(1000, &timerfifo, 1);
	……
	for (;;) {
		……
		io_cli();
		if (fifo8_status(&keyfifo) + fifo8_status(&mousefifo) + fifo8_status(&timerfifo) == 0) {
			io_sti();
		} else {
			if (fifo8_status(&keyfifo) != 0) {
			……
			} else if (fifo8_status(&mousefifo) != 0) {
				……
			} else if (fifo8_status(&timerfifo) != 0) {
				i = fifo8_get(&timerfifo); /* 首先读入，设定起始点 */
				io_sti();
				putfonts8_asc(buf_back, binfo->scrnx, 0, 64, COL8_FFFFFF, "10[sec]");
				sheet_refresh(sht_back, 0, 64, 56, 80);
			}
		}
	}
}

可以看出在10s后向timerfifo中写入了数据1，在主程序中，接收到数据时就在屏幕上显示10[sec]。

能够实现过10s显示一次，自然也可以调整时间的长度。并且操作系统中可能用到多个定时器，这样就可以将程序进行扩展：

#define MAX_TIMER		500
struct TIMER {
	unsigned int timeout, flags;
	struct FIFO8 *fifo;
	unsigned char data;
};
struct TIMERCTL {
	unsigned int count;
	struct TIMER timer[MAX_TIMER];
};

扩充了定时器的数量，其他程序也需要进行相应的修改：

#define TIMER_FLAGS_ALLOC		1	/* 已配置状态 */
#define TIMER_FLAGS_USING		2	/* 定时器运行中 */

void init_pit(void)
{
	int i;
	io_out8(PIT_CTRL, 0x34);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x9c);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x2e);
	timerctl.count = 0;
	for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {
		timerctl.timer[i].flags = 0; /* ���g�p */
	}
	return;
}

struct TIMER *timer_alloc(void)
{
	int i;
	for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {
		if (timerctl.timer[i].flags == 0) {
			timerctl.timer[i].flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;
			return &timerctl.timer[i];
		}
	}
	return 0; /* 无可用定时器 */
}

void timer_free(struct TIMER *timer)
{
	timer->flags = 0; /* 释放 */
	return;
}

void timer_init(struct TIMER *timer, struct FIFO8 *fifo, unsigned char data)
{
	timer->fifo = fifo;
	timer->data = data;
	return;
}

void timer_settime(struct TIMER *timer, unsigned int timeout)
{
	timer->timeout = timeout;
	timer->flags = TIMER_FLAGS_USING;
	return;
}

void inthandler20(int *esp)
{
	int i;
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	
	timerctl.count++;
	for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {
		if (timerctl.timer[i].flags == TIMER_FLAGS_USING) {
			timerctl.timer[i].timeout--;
			if (timerctl.timer[i].timeout == 0) {
				timerctl.timer[i].flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;
				fifo8_put(timerctl.timer[i].fifo, timerctl.timer[i].data);
			}
		}
	}
	return;
}

类似的程序在内存分配与图层管理中都能看到，关于初始化、分配、释放等函数就不必细说了。在中断处理函数inthandler20中，每次进入中断函数，都会把所有运行中的定时器检查一遍，看是否超时。如果超时，则向fifo中写入数据。这样就可以设置多个定时器，设置不同的超时时间了。

2.2 加快中断处理

但这里有个问题。前面中断的内容中已经讲过，中断处理函数必须在短时间内完成，否则会耽误CPU的正常工作。而我们为了实现超时，每次进入inthandler20都要对所有活动中的定时器执行timeout–操作，即CPU要先读出变量的值，执行减法运算，再写回内存中，这样浪费了很多时间。是否可用对这种实现方式进行优化呢？

我们不用timeout来表示剩余多少时间超时，而是用来表示超时的时刻。因为当前的时刻可用通过count进行计数，每次中断时只需要比较count的值是否达到timeout，就可以判断是否超时了。这样就减少了每次中断CPU所需要做的减法运算，加快了中断的处理。

void inthandler20(int *esp)
{
	int i;
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	
	timerctl.count++;
	for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {
		if (timerctl.timer[i].flags == TIMER_FLAGS_USING) {
			if (timerctl.timer[i].timeout <= timerctl.count) {
				timerctl.timer[i].flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;
				fifo8_put(timerctl.timer[i].fifo, timerctl.timer[i].data);
			}
		}
	}
	return;
}

相应地也需要修改timer_settime函数，将超时时刻设置为当前时刻加上超时时间：

void timer_settime(struct TIMER *timer, unsigned int timeout)
{
	timer->timeout = timeout + timerctl.count;
	timer->flags = TIMER_FLAGS_USING;
	return;
}

这样依赖程序确实得到优化了。但还没完，用来计时的变量count总有溢出的时候，0xffffffff表示的时间转换成天大约是497天。为了保证超时功能的正常，没过大约一年的时间需要把count重新调整归零：

int t0 = timerctl.count;/* 所有定时器的时刻都要减去这个值*/
io_cli();/* 调整时刻时需要禁止中断 */
timerctl.count -= t0;
for(i = 0;i < MAX_TIMERS; i++)
{
	if(timerctl.timer[i].flags == TIMER_FLAGS_USING)
	{
		timerctl.timer[i].timeout -= t0;
	}
}
io_sti();

已经做了以上的改进和优化，但其实中断处理程序还有改进的空间。
inthandler20其实是定时器的中断，每隔10ms就会产生一次中断并进入中断处理函数，这样每秒钟要进入100次中断函数。而每次中断函数都要执行500次的if判断检查运行中的定时器，一秒钟就要运行50000次。但真正产生超时，更改flags的值，执行fifo8_put函数，一秒钟最多也就2次，其他的大量if判断其实都是在做无用功。

为了避免这么多次无用且浪费时间的if判断，采用这种思路。超时时间有长短的不同，每次进入中断的时候，我们只需要关注当前最近的一个即将超时的定时器就可以了。我们把当前最近的一个超时时刻记录下来，每次进入中断的时候先与当前的时刻进行比较。如果最近的超时时刻没有达到，说明没有超时，这样就直接返回；如果发现达到了最近的超时时刻，再检查一遍定时器，找出这个超时的定时器，并且更新下一个最近的超时时刻。
中断处理的过程：

struct TIMERCTL {
	unsigned int count, next;
	struct TIMER timers0[MAX_TIMER];
};

void inthandler20(int *esp)
{
	int i;
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	
	timerctl.count++;
	if (timerctl.next > timerctl.count) {
		return; /* 最近的一个超时时刻还没有达到，直接返回 */
	}
	timerctl.next = 0xffffffff;
	for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {
		if (timerctl.timer[i].flags == TIMER_FLAGS_USING) {
			if (timerctl.timer[i].timeout <= timerctl.count) {
				/* 找到了超时的定时器，设置flags */
				timerctl.timer[i].flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;
				fifo8_put(timerctl.timer[i].fifo, timerctl.timer[i].data);
			} else {
				/* 其他未超时的定时器中更新next */
				if (timerctl.next > timerctl.timer[i].timeout) {
					timerctl.next = timerctl.timer[i].timeout;
				}
			}
		}
	}
	return;
}

初始化与设置超时时间：

void init_pit(void)
{
	int i;
	io_out8(PIT_CTRL, 0x34);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x9c);
	io_out8(PIT_CNT0, 0x2e);
	timerctl.count = 0;
	timerctl.next = 0xffffffff; /* 最初没有生效的定时器 */
	for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {
		timerctl.timer[i].flags = 0; /* 没有使用中的定时器 */
	}
	return;
}

void timer_settime(struct TIMER *timer, unsigned int timeout)
{
	timer->timeout = timeout + timerctl.count;
	timer->flags = TIMER_FLAGS_USING;
	if (timerctl.next > timer->timeout) {
		/* 更新下一次的超时时刻 */
		timerctl.next = timer->timeout;
	}
	return;
}

其实到这里已经优化的不错了。但是吹毛求疵一点，未达到超时时刻，处理的速度很快；达到超时时刻了，处理的时间就明显增加，作者认为这样可能会导致偶尔很卡的问题。(这一点说实话自己完全想不到)

为了减少达到超时时刻后进行处理所用的时间，采用的措施是把定时器按照超时时间先后排好顺序，再记录下运行中的定时器个数，这样在查找的时候就不需要把所有的定时器都检查一遍了。

struct TIMERCTL {
	unsigned int count, next, using;
	struct TIMER *timers[MAX_TIMER];
	struct TIMER timers0[MAX_TIMER];
};

结构体中timers用于存储当前运行中的定时器，并且按照时间顺序排列好，using变量则用来存放当前运行中的定时器数量。

void inthandler20(int *esp)
{
	int i, j;
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	
	timerctl.count++;
	if (timerctl.next > timerctl.count) {
		return;
	}
	for (i = 0; i < timerctl.using; i++) {
		if (timerctl.timers[i]->timeout > timerctl.count) {
			break;
		}
		/* 达到超时时间，将flags清除 */
		timerctl.timers[i]->flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;
		fifo8_put(timerctl.timers[i]->fifo, timerctl.timers[i]->data);
	}
	/* 有i个定时器超时，则timers中存放的其余定时器进行移位*/
	timerctl.using -= i;
	for (j = 0; j < timerctl.using; j++) {
		timerctl.timers[j] = timerctl.timers[i + j];
	}
	if (timerctl.using > 0) {
		timerctl.next = timerctl.timers[0]->timeout;
	} else {
		timerctl.next = 0xffffffff;
	}
	return;
}

另外还需要修改的是timer_settime函数，在设置的时候需要将timer注册到timers数组中的正确位置。同样在注册的时候也要先禁用中断。

void timer_settime(struct TIMER *timer, unsigned int timeout)
{
	int e, i, j;
	timer->timeout = timeout + timerctl.count;
	timer->flags = TIMER_FLAGS_USING;
	e = io_load_eflags();
	io_cli();
	/* 搜索注册的位置 */
	for (i = 0; i < timerctl.using; i++) {
		if (timerctl.timers[i]->timeout >= timer->timeout) {
			break;
		}
	}
	/* 从i号之后全部后移一位，腾出一个空位 */
	for (j = timerctl.using; j > i; j--) {
		timerctl.timers[j] = timerctl.timers[j - 1];
	}
	timerctl.using++;
	/* 插入到空位上 */
	timerctl.timers[i] = timer;
	timerctl.next = timerctl.timers[0]->timeout;
	io_store_eflags(e);
	return;
}

到这里本篇的内容就完成了。本篇的内容还是比较简单的，也可以看出作者对与程序的运行有种执念，不只是要程序能够正常运行，还要进行种种优化。下一篇的内容仍然是定时器，可以看出作者对定时器内容的重视。敬请期待。

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