《30天自制操作系统》笔记(10)——定时器
进度回顾
上一篇和上上一篇解决了绘制窗口和窗口刷新的问题。关于窗口的东西就此告一段落。本篇介绍一个相对独立且十分重要的操作系统部件——定时器的使用方法。
定时器是一个硬件
可编程的间隔型定时器(Programmable Interval Timer)简称定时器(PIT)，是集成到电脑上的一个硬件部件。之前讲过的用于实现中断机制的PIC也是个硬件部件。有了PIT，我们才能在计算机中计时。
初始化定时器
前面，CPU、PIC都需要设置好才能用，PIT也需要设置。PIT类似C#Winform里的Timer控件，能设置的只有激发Tick事件的时间间隔(Interval)这个属性。PIT里的Tick事件，对应的是PIC里的0号中断。也就是说，PIT会根据你设定的Interval，每隔Interval时间就发送一个0号中断。这里又印证了"事件小名中断"的说法。
1 #define PIT_CTRL 0x0043 2 #define PIT_CNT0 0x0040 3 void init_pit(void) 4 { 5 io_out8(PIT_CTRL, 0x34);/*中断周期(Interval)即将变更*/ 6 io_out8(PIT_CNT0, 0x9c);/*中断周期的低8位*/ 7 io_out8(PIT_CNT0, 0x2e);/*中断周期的高8位*/ 8 return; 9 } 10 void HariMain(void) 11 { 12 /* 略 */ 13 init_gdtidt(); 14 init_pic(); 15 io_sti(); /* IDT/PIC的初始化已经结束，所以解除CPU的中断禁止 */ 16 fifo8_init(&keyfifo, 32, keybuf); 17 fifo8_init(&mousefifo, 128, mousebuf); 18 init_pit();/* 这里！ */ 19 io_out8(PIC0_IMR, 0xf8); /* PIT和PIC1和键盘设置为许可(11111000) *//* 这里！ */ 20 io_out8(PIC1_IMR, 0xef); /* 鼠标设置为许可(11101111) */ 21 /* 略 */ 22 }
设置中断函数
设置Tick时，如果指定中断周期为0，会被看做指定为65536。如果设定为1000，中断频率就是1.19318Hz。如果设定为11932，中断频率就是100Hz，即每10ms发生一次中断。11932写成十六进制就是0x2e9c。
PIT会发送0号中断，那就得写一个响应此中断的函数。
1 void inthandler20(int *esp) 2 { 3 io_out8(PIC0_OCW2, 0x60); /* 把IRQ-00信号接收完了的信息通知PIC */ 4 /* TODO: 暂时什么也不做 */ 5 return; 6 }
1 _asm_inthandler20: 2 PUSH ES 3 PUSH DS 4 PUSHAD 5 MOV EAX,ESP 6 PUSH EAX 7 MOV AX,SS 8 MOV DS,AX 9 MOV ES,AX 10 CALL _inthandler20 ; 这里会调用void inthandler20(int *esp);函数 11 POP EAX 12 POPAD 13 POP DS 14 POP ES 15 IRETD
1 void init_gdtidt(void) 2 { 3 /* 略 */ 4 /* IDT的设定 */ 5 set_gatedesc(idt + 0x20, (int) asm_inthandler20, 2 * 8, AR_INTGATE32);/* 这里！ */ 6 set_gatedesc(idt + 0x21, (int) asm_inthandler21, 2 * 8, AR_INTGATE32); 7 set_gatedesc(idt + 0x27, (int) asm_inthandler27, 2 * 8, AR_INTGATE32); 8 set_gatedesc(idt + 0x2c, (int) asm_inthandler2c, 2 * 8, AR_INTGATE32); 9 10 return; 11 }
这样就好了。
用PIT做点什么呢？
Hello PIT!
保守起见，先做个PIT的hello world比较好。
1 struct TIMERCTL { 2 unsigned int count; 3 }; 4 struct TIMERCTL timerctl; 5 void init_pit(void) 6 { 7 io_out8(PIT_CTRL, 0x34); 8 io_out8(PIT_CNT0, 0x9c); 9 io_out8(PIT_CNT0, 0x2e); 10 timerctl.count = 0;/* 这里！ */ 11 return; 12 } 13 void inthandler20(int *esp) 14 { 15 io_out8(PIC0_OCW2, 0x60); /* 把IRQ-00信号接收完了的信息通知PIC */ 16 timerctl.count++;/* 这里！ */ 17 return; 18 } 19 void HariMain(void) 20 { 21 /* 略 */ 22 for (;;) { 23 sprintf(s, "%010d", timerctl.count);/* 这里！ */ 24 boxfill8(buf_win, 160, COL8_C6C6C6, 40, 28, 119, 43); 25 putfonts8_asc(buf_win, 160, 40, 28, COL8_000000, s); 26 sheet_refresh(sht_win, 40, 28, 120, 44); 27 28 /* 略 */ 29 } 30 }
效果如下图所示。
超时功能
定时器经常被用于这样一种情形："hi操作系统老兄！麻烦你10秒钟后通知我一下，我要执行某函数M"。这样的功能就叫做超时(timeout)。
1 struct TIMERCTL { 2 unsigned int count; 3 unsigned int timeout; 4 struct FIFO8 *fifo; 5 unsigned char data; 6 }; 7 void init_pit(void) 8 { 9 io_out8(PIT_CTRL, 0x34); 10 io_out8(PIT_CNT0, 0x9c); 11 io_out8(PIT_CNT0, 0x2e); 12 timerctl.count = 0; 13 timerctl.timeout = 0; 14 return; 15 } 16 void inthandler20(int *esp) 17 { 18 io_out8(PIC0_OCW2, 0x60); /* 把IRQ-00信号接收完了的信息通知PIC */ 19 timerctl.count++; 20 if (timerctl.timeout > 0) { /* 如果已经设定了超时 */ 21 timerctl.timeout--; 22 if (timerctl.timeout == 0) { 23 fifo8_put(timerctl.fifo, timerctl.data); 24 } 25 } 26 return; 27 } 28 void settimer(unsigned int timeout, struct FIFO8 *fifo, unsigned char data) 29 { 30 int eflags; 31 eflags = io_load_eflags(); 32 io_cli(); 33 timerctl.timeout = timeout; 34 timerctl.fifo = fifo; 35 timerctl.data = data; 36 io_store_eflags(eflags); 37 return; 38 } 39 void HariMain(void) 40 { 41 /* 略 */ 42 struct FIFO8 timerfifo; 43 char s[40], keybuf[32], mousebuf[128], timerbuf[8]; 44 /* 略 */ 45 fifo8_init(&timerfifo, 8, timerbuf); 46 settimer(1000, &timerfifo, 1); 47 /* 略 */ 48 for (;;) { 49 /* 略 */ 50 io_cli(); 51 if (fifo8_status(&keyfifo) + fifo8_status(&mousefifo) + fifo8_status(&timerfifo) == 0) { 52 io_sti(); 53 } else { 54 if (fifo8_status(&keyfifo) != 0) { 55 /* 略 */ 56 } else if (fifo8_status(&mousefifo) != 0) { 57 /* 略 */ 58 } else if (fifo8_status(&timerfifo) != 0) { 59 i = fifo8_get(&timerfifo); /* 首先读入（为了设定起始点） */ 60 io_sti(); 61 putfonts8_asc(buf_back, binfo->scrnx, 0, 64, COL8_FFFFFF, "10[sec]"); 62 sheet_refresh(sht_back, 0, 64, 56, 80); 63 } 64 } 65 } 66 }
程序很简单，我们在其中设定10秒钟后向timerinfo写入"1"（暂时没什么特别的含义，写"2"也没问题），而timerinfo接收到数据时，就会在屏幕上显示"10[sec]"。
图就不贴了，没什么新东西。
设定多个定时器
很多应用程序都会使用定时器，所以PIT要能够变幻出多个定时器。
1 #define MAX_TIMER 500 2 struct TIMER { 3 unsigned int timeout, flags; 4 struct FIFO8 *fifo; 5 unsigned char data; 6 }; 7 struct TIMERCTL { 8 unsigned int count; 9 struct TIMER timer[MAX_TIMER]; 10 }; 11 12 #define TIMER_FLAGS_ALLOC 1 /* 已配置状态 */ 13 #define TIMER_FLAGS_USING 2 /* 定时器运行中 */ 14 void init_pit(void) 15 { 16 int i; 17 io_out8(PIT_CTRL, 0x34); 18 io_out8(PIT_CNT0, 0x9c); 19 io_out8(PIT_CNT0, 0x2e); 20 timerctl.count = 0; 21 for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) { 22 timerctl.timer[i].flags = 0; /* 未使用 */ 23 } 24 return; 25 } 26 struct TIMER *timer_alloc(void) 27 { 28 int i; 29 for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) { 30 if (timerctl.timer[i].flags == 0) { 31 timerctl.timer[i].flags = TIMER_FLAGS_ALLOC; 32 return &timerctl.timer[i]; 33 } 34 } 35 return 0; /* 没找到 */ 36 } 37 void timer_free(struct TIMER *timer) 38 { 39 timer->flags = 0; /* 未使用 */ 40 return; 41 } 42 void timer_init(struct TIMER *timer, struct FIFO8 *fifo, unsigned char data) 43 { 44 timer->fifo = fifo; 45 timer->data = data; 46 return; 47 } 48 void timer_settime(struct TIMER *timer, unsigned int timeout) 49 { 50 timer->timeout = timeout; 51 timer->flags = TIMER_FLAGS_USING; 52 return; 53 } 54 void inthandler20(int *esp) 55 { 56 int i; 57 io_out8(PIC0_OCW2, 0x60); /* 把IRQ-00信号接收完了的信息通知PIC */ 58 timerctl.count++; 59 for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) { 60 if (timerctl.timer[i].flags == TIMER_FLAGS_USING) { 61 timerctl.timer[i].timeout--; 62 if (timerctl.timer[i].timeout == 0) { 63 timerctl.timer[i].flags = TIMER_FLAGS_ALLOC; 64 fifo8_put(timerctl.timer[i].fifo, timerctl.timer[i].data); 65 } 66 } 67 } 68 return; 69 }
1 void HariMain(void) 2 { 3 /* 略 */ 4 struct FIFO8 timerfifo, timerfifo2, timerfifo3; 5 char s[40], keybuf[32], mousebuf[128], timerbuf[8], timerbuf2[8], timerbuf3[8]; 6 struct TIMER *timer, *timer2, *timer3; 7 /* 略 */ 8 fifo8_init(&timerfifo, 8, timerbuf); 9 timer = timer_alloc(); 10 timer_init(timer, &timerfifo, 1); 11 timer_settime(timer, 1000); 12 fifo8_init(&timerfifo2, 8, timerbuf2); 13 timer2 = timer_alloc(); 14 timer_init(timer2, &timerfifo2, 1); 15 timer_settime(timer2, 300); 16 fifo8_init(&timerfifo3, 8, timerbuf3); 17 timer3 = timer_alloc(); 18 timer_init(timer3, &timerfifo3, 1); 19 timer_settime(timer3, 50); 20 /* 略 */ 21 for (;;) { 22 /* 略 */ 23 io_cli(); 24 if (fifo8_status(&keyfifo) + fifo8_status(&mousefifo) + fifo8_status(&timerfifo) 25 + fifo8_status(&timerfifo2) + fifo8_status(&timerfifo3) == 0) { 26 io_sti(); 27 } else { 28 if (fifo8_status(&keyfifo) != 0) { 29 /* 略 */ 30 } else if (fifo8_status(&mousefifo) != 0) { 31 /* 略 */ 32 } else if (fifo8_status(&timerfifo) != 0) { 33 i = fifo8_get(&timerfifo); /* 首先读入（为了设定起始点） */ 34 io_sti(); 35 putfonts8_asc(buf_back, binfo->scrnx, 0, 64, COL8_FFFFFF, "10[sec]"); 36 sheet_refresh(sht_back, 0, 64, 56, 80); 37 } else if (fifo8_status(&timerfifo2) != 0) { 38 i = fifo8_get(&timerfifo2); /* 首先读入（为了设定起始点） */ 39 io_sti(); 40 putfonts8_asc(buf_back, binfo->scrnx, 0, 80, COL8_FFFFFF, "3[sec]"); 41 sheet_refresh(sht_back, 0, 80, 48, 96); 42 } else if (fifo8_status(&timerfifo3) != 0) {/* 模拟光标闪烁 */ 43 i = fifo8_get(&timerfifo3); 44 io_sti(); 45 if (i != 0) { 46 timer_init(timer3, &timerfifo3, 0); /* 然后设置0 */ 47 boxfill8(buf_back, binfo->scrnx, COL8_FFFFFF, 8, 96, 15, 111); 48 } else { 49 timer_init(timer3, &timerfifo3, 1); /* 然后设置1 */ 50 boxfill8(buf_back, binfo->scrnx, COL8_008484, 8, 96, 15, 111); 51 } 52 timer_settime(timer3, 50); 53 sheet_refresh(sht_back, 8, 96, 16, 112); 54 } 55 } 56 } 57 }
定时器优化
前面都算是使用定时器的实验，以此为基础进行优化，使其更实用。
原作者的优化进行了好几步，在此仅罗列一下，并给出最后的程序。
-
将timeout的含义从"所剩时间"改变为"予定时间"，这样就可以去掉inthandler20(int*)函数里的"timerctl.timer[i].timeout--"。
-
现在的定时器，每隔42949673秒（497天）后count就是0xFFFFFFFF了，在这之前必须重启计算机，否则程序就会出错。因此让OS每隔一年自动调整一次。
-
timer数组按timeout升序排序，在inthandler20(int*)中每次只检查第一个timer元素即可。
-
上一步中，发现超时时，inthandler20(int*)会准备下一个要检查的timer，这延长了处理时间。为解决这个问题，增加变量using，用于记录有几个定时器处于活动中（需要检查）。（类似于窗口图层部分的sheet中的top）不过这样只能缓解问题，不能彻底解决问题。
-
将静态数组timers改为链表，从而省掉了上一步中可能发生的移位操作。
-
使用数据结构中的"哨兵"概念简化上一步的链表处理函数。"哨兵"是为了简化循环的边界条件而引入的。在timers链表最后加上一个timeout为0xFFFFFFFF的定时器（作为哨兵）。由于OS会在1年后将定时器count重置，所以这个哨兵定时器永远不会到达触发的时候。这其实就是永恒吊车尾啊。不管你信不信，添上这样一个吊车尾就可以减少链表相关的代码。
经过若干次优化后的代码如下。
1 void init_pit(void) 2 { 3 int i; 4 struct TIMER *t; 5 io_out8(PIT_CTRL, 0x34); 6 io_out8(PIT_CNT0, 0x9c); 7 io_out8(PIT_CNT0, 0x2e); 8 timerctl.count = 0; 9 for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) { 10 timerctl.timers0[i].flags = 0; /* 没有使用 */ 11 } 12 t = timer_alloc(); /* 取得一个 */ 13 t->timeout = 0xffffffff; 14 t->flags = TIMER_FLAGS_USING; 15 t->next = 0; /* 末尾 */ 16 timerctl.t0 = t; /* 因为现在只有哨兵，所以他就在最前面 */ 17 timerctl.next = 0xffffffff; /* 因为只有哨兵，所以下一个超时时刻就是哨兵的时刻 */ 18 return; 19 }
1 void timer_settime(struct TIMER *timer, unsigned int timeout) 2 { 3 int e; 4 struct TIMER *t, *s; 5 timer->timeout = timeout + timerctl.count; 6 timer->flags = TIMER_FLAGS_USING; 7 e = io_load_eflags(); 8 io_cli(); 9 t = timerctl.t0; 10 if (timer->timeout <= t->timeout) { 11 /* 插入最前面的情况 */ 12 timerctl.t0 = timer; 13 timer->next = t; /* 下面是设定t */ 14 timerctl.next = timer->timeout; 15 io_store_eflags(e); 16 return; 17 } 18 /* 搜寻插入位置 */ 19 for (;;) { 20 s = t; 21 t = t->next; 22 if (timer->timeout <= t->timeout) { 23 /* 插入s和t之间的情况 */ 24 s->next = timer; /* s下一个是timer */ 25 timer->next = t; /* timer的下一个是t */ 26 io_store_eflags(e); 27 return; 28 } 29 } 30 }
1 void inthandler20(int *esp) 2 { 3 struct TIMER *timer; 4 io_out8(PIC0_OCW2, 0x60); /* 把IRQ-00接收信号结束的信息通知给PIC */ 5 timerctl.count++; 6 if (timerctl.next > timerctl.count) { 7 return; 8 } 9 timer = timerctl.t0; /* 首先把最前面的地址赋给timer */ 10 for (;;) { 11 /* 因为timers的定时器都处于运行状态，所以不确认flags */ 12 if (timer->timeout > timerctl.count) { 13 break; 14 } 15 /* 超时 */ 16 timer->flags = TIMER_FLAGS_ALLOC; 17 fifo32_put(timer->fifo, timer->data); 18 timer = timer->next; /* 将下一个定时器的地址代入timer */ 19 } 20 /* 新移位 */ 21 timerctl.t0 = timer; 22 /* timerctl.next的设定 *//* 这里 */ 23 timerctl.next = timer->timeout; 24 return; 25 }
曾经引入的using变量现在又被去掉了。
总结
定时器是如此重要，以至于我一时想不出它有多重要。定时器使用起来并不复杂，只不过为了尽可能优化提高效率，原作者讲了很多链表之类的数据结构和算法的东西。
到现在，终于看完了《30天自制操作系统》的三分之一。收获么，可以说是坚定了我之前对软件工程的理念，也可以说是加强了自我封闭和顽固的理由。数字电路构成了硬件，但从软件工程师的角度看，硬件也是一种软件，它为上层软件（操作系统）提供了API。操作系统则为应用程序提供了API。如果应用程序做成插件式的，那这个应用程序也可以被称为一个"操作系统"，或者叫做"平台"（例如chrome OS、Visual Studio、Eclipse）。这就像计算机网络体系结构一样，分为多个层，每个下层都为上层提供API，上层不必知道下层的实现原理，直接使用就行了。
很快就要进入"多任务"的设计实现了！