信息安全系统设计与实现：第五章学习笔记

信息安全系统设计与实现：第五章学习笔记

20191331 lyx

教材学习内容总结

第五章 定时器及时钟服务

学习目标

通过学习本章理解定时器和定时服务。了解硬件定时器的原理和基于Intelx86的PC中的硬件定时器；理解CPU操作和中断处理。学习Linux中与定时器相关的系统调用、库函数和定时器服务命令。通过示例理解进程间隔定时器。Linux进程的实时模式间隔定时器被设计为定期生成SIGALRM信号，充当虚拟CPU的定时器中断，虚拟CPU使用SIGALRM信号捕捉器作为定时器的中断处理程序。定时器还可以防止任务和中断处理程序之间出现竞态条件。

硬件定时器

定时器是由时钟源和可编程计数器组成的硬件设备。时钟源通常是一个晶体振荡器，会产生周期性电信号，以精确的频率驱动计数器。

硬件定时器能够按照一定的频率周期性的有规律的给CPU发送中断信号，发送中断的频率（周期）可以通过软件编程来设置，硬件定时器产生的中断信号可以称之为时钟中断。

个人计算机定时器

• 实时时钟(RTC):RTC由一个小型备用电池供电。在所有类Unix系统中，时间变量是一个长整数，包含从1970年1月1日起经过的秒数。

time() returns the time as the number of seconds since the Epoch,1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC).

• 可编程间隔定时器(PIT)(Wang2015):PIT是与CPU分离的一个硬件定时器。可对它进行编程，以提供以毫秒为单位的定时器刻度。

• 多核CPU中的本地定时器（Intel1997;Wang2015):在多核CPU中，每个核都是一个独立的处理器,它有自已的本地定时器，由CPU时钟驱动。

• 高分辨率定时器：大多数电脑都有一个时间戳定时器（TSC)，由系统时钟驱动。它的内容可通过64位TSC寄存器读取。

CPU操作

每个CPU都有一个程序计数器（PC），也称为指令指针（IP），以及一个标志或状态寄存器（SR）、一个堆栈指针（SP）和几个通用寄存器，当 PC指向内存中要执行的下一条指令时，SR包含 CPU 的当前状态，如操作模式、中断掩码和条件码，SP指向当前堆栈栈顶。CPU操作可通过无限循环进行建模。

while (power-on){
1. fetch instruction:load*PC as instruction,increment PC to point to the next instruction in memory;
2. decode instruction: interpret the instruction's operation code and generate operandis;
3. execute instruction: perform operation on operands,write results to memory if needed;
execution may use the stack,implicitly change PC, etC.
4. check for pending interrupts; may handle interrupts;
}

中断和异常处理都在操作系统内核中进行。大多数情况下，用户级程序无法访问他们。

中断操作

书上讲的比较晦涩

中断是指在CPU正常运行期间，由于内外部事件或由程序预先安排的事件引起的CPU暂时停止正在运行的程序，转而为该内部或外部事件或预先安排的事件服务的程序中去，服务完毕后再返回去继续运行被暂时中断的程序。

从广义上讲，中断又可分为四类：中断、故障、陷阱、终止。

时钟服务函数

• 在几乎所有的操作系统中，操作系统内核都会提供与时钟相关的各种服务。

linux系统中与时钟有关的系统调用：

gettimeofday&settimeofday

gettimeofday：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
struct timeval t;

int main(){
gettimeofday(&t,NULL);
printf("sec=%ld usec=%d
", t.tv_sec, t.tv_usec);
printf((char *)ctime(&t.tv_sec));
}

编译运行：

出现错误

代码中对于ctime函数调用缺少必要的头文件time.h

并且不需要强制类型转换为char* ，直接以字符串输出就好了。

settimeofday：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>

struct timeval t;

int main(){
        int r;
        t.tv_sec = 123456789;
        t.tv_usec = 0;
        r = settimeofday(&t,NULL);
        if(!r){
                printf("settimeofday() faild
");
                exit(1);
        }
        gettimeofday(&t,NULL);
        printf("sec=%ld usec=%ld
",t.tv_sec,t.tv_usec);
        printf("%s",ctime(&t.tv_sec));
}

编译运行：

猜测失败原因：系统保护当前时间不被篡改

time系统调用

#include<stdio.h>
#include<stdio.h>
#include<time.h>
time_t start,end;

int main(){
int i;
start=time(NULL);
printf("start=%ld
",start);
for(i=0;i<123456789;i++);
end=time(NULL);
printf("end =%ld time=%ld
",end,end-start);
}

编译运行：

间隔定时器

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

int count = 0;
struct itimerval t;
time_t start,end ;

void timer_handler(int sig){
      end =time(NULL);
      printf("timer_handler :  signal %d   count=%d  , diff: %ld 
",sig, ++count,end -start);
      start =  end;
      if( count >= 8){
          printf("cancel timer 
");
          t.it_value.tv_sec  =  0 ;
          t.it_value.tv_usec    =    0;
          setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &t , NULL);
      }
}
 
int  main(){
      struct itimerval timer ;
      signal (SIGVTALRM ,timer_handler);
      timer.it_value.tv_sec =  0;
      timer.it_value.tv_usec  = 100000;
      //every 1s afterward
      timer.it_interval.tv_sec = 1;
      timer.it_interval.tv_usec = 0;
      // start a virtual itimer
      start = time(NULL);
      setitimer( ITIMER_VIRTUAL , &timer ,NULL );
      printf("press Ctrl + C  to terminate 
");
      while(1);
}

编译运行：

参考资料

Linux驱动开发——定时器 https://blog.csdn.net/qq_37596943/article/details/103760395

Linux内核中断系统处理机制-详细分析 https://zhuanlan.zhihu.com/p/342614491