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4. 处理用户进程发出的时间系统调用。
5. 对系统某些部分提供监视定时器。
其中，第一项功能是所有OS都必须实现的基础功能，它是OS内核的运行基础。通常有三种方法可用来维护系统的时间与日期：（1）
最简单的一种方法就是用一个64位的计数器来对时钟滴答进行计数。（2）第二种方法就是用一个32位计数器来对秒进行计数。用一
个32位的辅助计数器来对时钟滴答计数直至累计一秒为止。因为232超过136年，因此这种方法直至22世纪都可以工作得很
好。（3）第三种方法也是按滴答进行计数，但却是相对于系统启动以来的滴答次数，而不是相对于一个确定的外部时刻。当读后备
时钟（如RTC）或用户输入实际时间时，根据当前的滴答次数计算系统当前时间。
UNIX类的OS通常都采用第三种方法来维护系统的时间与日期。
7．4．1 Linux对时钟中断的初始化
Linux对时钟中断的初始化是分为几个步骤来进行的：（1）首先，由init_IRQ()函数通过调用init_ISA_IRQ()函数对中断向量
32～256所对应的中断向量描述符进行初始化设置。显然，这其中也就把IRQ0（也即中断向量32）的中断向量描述符初始化
了。（2）然后，init_IRQ()函数设置中断向量32～256相对应的中断门。（3）init_IRQ()函数对PIT进行初始化编
程；（4）sched_init()函数对计数器、时间中断的Bottom Half进行初始化。（5）最后，由time_init()函数对Linux内核的
时钟中断机制进行初始化。这三个初始化函数都是由init/main.c文件中的start_kernel()函数调用的，如下：
asmlinkage void __init start_kernel()
{
…
trap_init();
init_IRQ();
sched_init();
time_init();
softirq_init();
…
}
(1)init_IRQ()函数对8254 PIT的初始化编程
函数init_IRQ()函数在完成中断门的初始化后，就对8254 PIT进行初始化编程设置，设置的步骤如下：（1）设置8254 PIT的控
制寄存器（端口0x43）的值为“01100100”，也即选择通道0、先读写LSB再读写MSB、工作模式2、二进制存储格式。（2）将宏
LATCH的值写入通道0的计数器中（端口0x40），注意要先写LATCH的LSB，再写LATCH的高字节。其源码如下所示（arch/i386/
kernel/i8259.c）：
void __init init_IRQ(void)
{
……
/*
* Set the clock to HZ Hz, we already have a valid
* vector now:
*/
outb_p(0x34,0x43); /* binary, mode 2, LSB/MSB, ch 0 */
outb_p(LATCH & 0xff , 0x40); /* LSB */
outb(LATCH >> 8 , 0x40); /* MSB */
……
}
（2）sched_init()对定时器机制和时钟中断的Bottom Half的初始化
函数sched_init()中与时间相关的初始化过程主要有两步：（1）调用init_timervecs()函数初始化内核定时器机制；（2）调
用init_bh()函数将BH向量TIMER_BH、TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH所对应的BH函数分别设置成timer_bh()、tqueue_bh()和
immediate_bh()函数。如下所示（kernel/sched.c）：
void __init sched_init(void)
{
……
init_timervecs();
init_bh(TIMER_BH, timer_bh);
init_bh(TQUEUE_BH, tqueue_bh);
init_bh(IMMEDIATE_BH, immediate_bh);
……
}
（3）time_init()函数对内核时钟中断机制的初始化
前面两个函数所进行的初始化步骤都是为时间中断机制做好准备而已。在执行完init_IRQ()函数和sched_init()函数后，CPU已
经可以为IRQ0上的时钟中断进行服务了，因为IRQ0所对应的中断门已经被设置好指向中断服务函数IRQ0x20_interrupt()。但是
由于此时中断向量0x20的中断向量描述符irq_desc［0］还是处于初始状态（其status成员的值为IRQ_DISABLED），并未挂接任
何具体的中断服务描述符，因此这时CPU对IRQ0的中断服务并没有任何具体意义，而只是按照规定的流程空跑一趟。但是当CPU执行
完time_init()函数后，情形就大不一样了。
函数time_init()主要做三件事：（1）从RTC中获取内核启动时的时间与日期；（2）在CPU有TSC的情况下校准TSC，以便为后面
使用TSC做好准备；（3）在IRQ0的中断请求描述符中挂接具体的中断服务描述符。其源码如下所示（arch/i386/kernel/
time.c）：
void __init time_init(void)
{
extern int x86_udelay_tsc;
xtime.tv_sec = get_cmos_time();
xtime.tv_usec = 0;
/*
* If we have APM enabled or the CPU clock speed is variable
* (CPU stops clock on HLT or slows clock to save power)
* then the TSC timestamps may diverge by up to 1 jiffy from
* 'real time' but nothing will break.
* The most frequent case is that the CPU is "woken" from a halt
* state by the timer interrupt itself, so we get 0 error. In the
* rare cases where a driver would "wake" the CPU and request a
* timestamp, the maximum error is handler函数指针所指向的
timer_interrupt()函数对时钟中断请求进行真正的服务，而不是向前面所说的那样只是让CPU“空跑”一趟。此时，Linux内核可
以说是真正的“跳动”起来了。
在本节一开始所述的对时钟中断驱动的5项要求中，通常只有第一项（即timekeeping）是最为迫切的，因此必须在时钟中断服务例
程中完成。而其余的几个要求可以稍缓，因此可以放在时钟中断的Bottom Half中去执行。这样，Linux内核就是
timer_interrupt()函数的执行时间尽可能的短，因为它是在CPU关中断的条件下执行的。
函数timer_interrupt()的源码如下（arch/i386/kernel/time.c）：
/*
* This is the same as the above, except we _also_ save the current
* Time Stamp Counter value at the time of the timer interrupt, so that
* we later on can estimate the time of day more exactly.
*/
static void timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
int count;
/*
* Here we are in the timer irq handler. We just have irqs locally
* disabled but we don't know if the timer_bh is running on the other
* CPU. We need to avoid to SMP race with it. NOTE: we don' t need
* the irq version of write_lock because as just said we have irq
* locally disabled. -arca
*/
write_lock(&xtime_lock);
if (use_tsc)
{
/*
* It is important that these two operations happen almost at
* the same time. We do the RDTSC stuff first, since it's
* faster. To avoid any inconsistencies, we need interrupts
* disabled locally.
*/
/*
* Interrupts are just disabled locally since the timer irq
* has the SA_INTERRUPT flag set. -arca
*/
/* read Pentium cycle counter */
rdtscl(last_tsc_low);
spin_lock(&i8253_lock);
outb_p(0x00, 0x43); /* latch the count ASAP */
count = inb_p(0x40); /* read the latched count */
count |= inb(0x40) last_rtc_update + 660 &&
xtime.tv_usec >= 500000 - ((unsigned) tick) / 2 &&
xtime.tv_usec eflags) || (3 & (regs)->xcs))
……
#endif
（3）调用mark_bh()函数激活时钟中断的Bottom Half向量TIMER_BH和TQUEUE_BH（注意，TQUEUE_BH仅在任务队列tq_timer
不为空的情况下才会被激活）。
至此，内核对时钟中断的服务流程宣告结束，下面我们详细分析一下update_process_times()函数的实现。
7．4．3 更新时间记帐信息——CPU分时的实现
函数update_process_times()被用来在发生时钟中断时更新当前进程以及内核中与时间相关的统计信息，并根据这些信息作出相
应的动作，比如：重新进行调度，向当前进程发出信号等。该函数仅有一个参数user_tick，取值为1或0，其含义在前面已经叙述
过。
该函数的源代码如下（kernel/timer.c）：
/*
* Called from the timer interrupt handler to charge one tick to the current
* process. user_tick is 1 if the tick is user time, 0 for system.
*/
void update_process_times(int user_tick)
{
struct task_struct *p = current;
int cpu = smp_processor_id(), system = user_tick ^ 1;
update_one_process(p, user_tick, system, cpu);
if (p->pid) {
if (--p->counter counter = 0;
p->need_resched = 1;
}
if (p->nice > 0)
kstat.per_cpu_nice[cpu] += user_tick;
else
kstat.per_cpu_user[cpu] += user_tick;
kstat.per_cpu_system[cpu] += system;
} else if (local_bh_count(cpu) || local_irq_count(cpu) > 1)
kstat.per_cpu_system[cpu] += system;
}
（1）首先，用smp_processor_id()宏得到当前进程的CPU ID。
（2）然后，让局部变量system＝user_tick^1，表示当发生时钟中断时CPU是否正处于核心态下。因此，如果user_tick=1，则
system=0；如果user_tick＝0，则system=1。
（3）调用update_one_process()函数来更新当前进程的task_struct结构中的所有与时间相关的统计信息以及成员变量。该函
数还会视需要向当前进程发送相应的信号（signal）。
（4）如果当前进程的PID非0，则执行下列步骤来决定是否重新进行调度，并更新内核时间统计信息：
l 将当前进程的可运行时间片长度（由task_struct结构中的counter成员表示，其单位是时钟滴答次数）减1。如果减到0值，则
说明当前进程已经用完了系统分配给它的的运行时间片，因此必须重新进行调度。于是将当前进程的task_struct结构中的
need_resched成员变量设置为1，表示需要重新执行调度。
l 如果当前进程的task_struct结构中的nice成员值大于0，那么将内核全局统计信息变量kstat中的per_cpu_nice［cpu］值将
上user_tick。否则就将user_tick值加到内核全局统计信息变量kstat中的per_cpu_user［cpu］成员上。
l 将system变量值加到内核全局统计信息kstat.per_cpu_system［cpu］上。
（5）否则，就判断当前CPU在服务时钟中断前是否处于softirq软中断服务的执行中，或则正在服务一次低优先级别的硬件中断
中。如果是这样的话，则将system变量的值加到内核全局统计信息kstat.per_cpu.system［cpu］上。
l update_one_process()函数
实现在kernel/timer.c文件中的update_one_process()函数用来在时钟中断发生时更新一个进程的task_struc结构中的时间
统计信息。其源码如下（kernel/timer.c）：
void update_one_process(struct task_struct *p, unsigned long user,
unsigned long system, int cpu)
{
p->per_cpu_utime[cpu] += user;
p->per_cpu_stime[cpu] += system;
do_process_times(p, user, system);
do_it_virt(p, user);
do_it_prof(p);
}
注释如下：
（1）由于在一个进程的整个生命期（Lifetime）中，它可能会在不同的CPU上执行，也即一个进程可能一开始在CPU1上执行，当
它用完在CPU1上的运行时间片后，它可能又会被调度到CPU2上去执行。另外，当进程在某个CPU上执行时，它可能又会在用户态和
内核态下分别各执行一段时间。所以为了统计这些事件信息，进程task_struct结构中的per_cpu_utime［NR_CPUS］数组就表示
该进程在各CPU的用户台下执行的累计时间长度，per_cpu_stime［NR_CPUS］数组就表示该进程在各CPU的核心态下执行的累计时
间长度；它们都以时钟滴答次数为单位。
所以，update_one_process()函数的第一个步骤就是更新进程在当前CPU上的用户态执行时间统计per_cpu_utime［cpu］和核
心态执行时间统计per_cpu_stime［cpu］。
（2）调用do_process_times()函数更新当前进程的总时间统计信息。
（3）调用do_it_virt()函数为当前进程的ITIMER_VIRTUAL软件定时器更新时间间隔。
（4）调用do_it_prof（）函数为当前进程的ITIMER_PROF软件定时器更新时间间隔。
l do_process_times()函数
函数do_process_times()将更新指定进程的总时间统计信息�
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