操作系统基础7-支持操作系统的最基本的硬件-时钟

操作系统基础7-支持操作系统的最基本的硬件-时钟
2020-10-19 13:21·重学IT的老猫
时钟又称为计时器,简单来说作用就是负责维护时间。

可以分为两种时间:硬件时钟、系统时钟

操作系统基础7-支持操作系统的最基本的硬件-时钟
硬件时钟:
是存储在PC主板上CMOS里的时钟,依靠电池供电的芯片(晶体振荡器)。

什么是CMOS?【Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体】,它是指制造大规模集成电路芯片,用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片,是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片(存放数据)。

也叫做RTC(Real Time Clock)时钟或CMOS时钟。即使系统断电,RTC也可以维持日期和时间。由于它独立于操作系统,所以也被称为硬件时钟,它为整个计算机提供一个计时标准,是最底层的时钟数据。

操作系统基础7-支持操作系统的最基本的硬件-时钟
晶振

系统时钟
系统时钟并不是本质意义的时钟,它实际是硬件(定时/计数器)和软件(时钟中断处理程序)结合的产物。在开机时,操作系统取得硬件时钟(RTC)中的时间数据来初始化系统时钟,然后通过定时/计数芯片向下形成系统时钟。定时/计数器(Time Stamp Counter或TSC)从RTC接收输入脉冲,并对接收到脉冲计数,每次计数到期,定时/计数器就产生一个输出脉冲,而后再从头开始另一次计数。

定时/计数器采用可编程的定时/计数芯片(典型的芯片是8253/8254),总体上有两部分组成:计数硬件和通信寄存器。通信寄存器包含有控制寄存器、状态寄存器、计数初始值寄存器、计数输出寄存器等。通信寄存器在计数硬件和操心系统之间建立联系,用于二者之间的通信。操作系统通过这些寄存器控制计数硬件的工作方式、读取计数硬件的当前状态和计数值等信息。

在操心系统内核初始化时,内核向定时/计数器写入控制字和计数初值,而后计数硬件就会按照一定的计数方式对晶振产生的脉冲进行计数操作:计数器从计数初值开始,每收到一次脉冲信号,计数器就减1,当计数器减至0时,就会输出高电平或低电平(输出脉冲),然后从计数初值开始重复另一次计数,从而产生一个输出脉冲。定时/计数器产生的输出脉冲是系统时钟的硬件基础,因为这个输出脉冲将接到中断控制器上,定期产生中断信号。这个中断就是时钟中断。操心系统利用时钟中断维护系统时钟的正常工作。每次时钟中断,操作系统的时间计数变量就加1。

定时/计数器对从晶振输入的脉冲进行计数(分频),产生三个输出脉冲Out0、 Out1、Out2,三个输出脉冲分别输出到中断控制器、DRAM和扬声器。Out0送到中断控制器的0号管脚,触发周期性的时钟中断。每个时钟中断称为一个时钟”滴答”(tick),Out0的输出频率就是产生时钟中断的频率,也就是tick的频率。

Linux操作系统中,这个频率定义为:

#define HZ 100

即1秒钟会产生100次中断供系统软件调度。

计算机内部的时间以tick为单位,每一次时钟滴答,系统时间就会加1。

Linux利用全局变量jiffies表示自系统启动以来的时钟滴答数目。其定义为:

unsigned long volatile jiffies=0;

除了jiffies外,Linux还提供了更符合人们习惯的时间表示方式,即用一个数据结构表示时间,其定义为:

struct timeval {

int tv_sec; //秒

int tv_usec; //微秒

}

在操作系统内定义更符合大众习惯的时间表示:年、月、日。当然,所有的时间都建立在jiffies上。 因此,RTC也就是硬件时钟处于最底层,提供最原始的时钟数据。系统时钟建立在硬件时钟之上,初始化完成后 将完全由操作系统控制,和硬件时钟脱离关系。操作系统通过系统时钟提供给应用程序所有和时间有关的服务。 由于系统时钟基本是一个软件变量,其表达时间的方式在不同的操作系统上也是不相同的。

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