Программное обеспечение таймеров

Все, что делает таймер, аппаратно — он инициирует прерывания через определенные интервалы времени. Все остальное, связанное со временем, должно выполняться программно драйвером часов. Обязанности драйвера часов варьируются в зависимости от операционной системы, но обычными являются следующие функции:

1. Следят за временем суток.

2. Не позволяют процессам работать дольше, чем им разрешено.

3. Ведут учет использования центрального процессора.

4. Обрабатывают системный вызов alarm, инициированный процессом пользо-
вателя.

5. Поддерживают следящие таймеры для операционной системы.

6. Ведут наблюдение, анализ и сбор статистики.

Первая функция часов, поддерживающая время суток (также называемое истинным временем), не сложна. Она просто требует увеличения счетчика на единицу при каждом импульсе сигнала времени часов (рис. 5.28, а). Нужно только следить за количеством битов в счетчике времени суток. При частоте импульсов сигнала времени 60 Гц 32-разрядный счетчик переполнится уже за два года. Очевидно, система не может хранить значение истинного времени в тиках с 1 января 1970 года в 32 бит.

Для данной проблемы возможны три решения.

1. Во-первых, можно использовать 64-разрядный счетчик, хотя это потребует больших затрат, так как увеличивать значение счетчика придется помногу раз в секунду (рис, 5.28, б).

2. Второй способ состоит в хранении времени суток не в тиках (количестве импульсов времени), а в секундах, переводя импульсы сигнала времени в секунды при помощи дополнительного счетчика (рис. 5.28, б). Поскольку 2^32 с — это больше, чем 136 лет, такой метод будет работать вплоть до 22-го века.

3. Третий метод состоит в том, чтобы учитывать импульсы сигнала времени, но относительно того момента, в который была загружена машина, а не от фиксированного внешнего момента. При этом система во время загрузки узнает текущее время, которое сохраняет в памяти в любом удобном виде. Позднее, при запросе времени, система складывает хранящееся время загрузки со значением счетчика, чтобы получить текущее время (рис. 5.28, в).

Не столь точный, но более простой метод учета состоит в создании указателя текущего процесса в таблице процессов в виде глобальной переменной. При каждом импульсе сигнала времени поле текущего процесса в таблице увеличивается на 1. Таким образом, каждый импульс сигнала времени «заботится» о текущем процессе. Недостаток этого метода состоит в том, что в случае частых прерываний во время работы процесса ему все равно будет засчитана работа в течение полного импульса сигнала времени. Точный учет использования времени центрального процессора во время прерываний является слишком сложным делом, отнимающим, в свою очередь, много процессорного времени.

Во многих системах процесс может попросить операционную систему выдать ему сигнал предупреждения после определенного интервала времени. Предупреждение может быть сигналом, прерыванием, сообщением и т. п. Такие предупреждения нужны, например, для работы в сети, при которой пакет, не получивший подтверждения в течение определенного интервала времени, должен быть передан повторно. Другим приложением может быть обучающая программа, ожидающая ответа на вопрос в течение установленного интервала времени.

Если драйвер часов управляет достаточным количеством таймеров, он может установить таймер для каждого запроса. Если физических таймеров недостаточно, они легко могут быть смоделированы программно. Один из способов реализации большого числа виртуальных таймеров состоит в создании таблицы, хранящей все времена сигналов для обрабатываемых таймеров, а также переменная, в которой хранится время срабатывания ближайшего таймера. При каждом обновлении времени суток драйвер проверяет, не пора ли подавать сигнал от ближайшего таймера. При этом ищется следующий по времени таймер.

Если ожидается много сигналов, то более эффективным считается реализовать их в виде сортированного связного списка, как показано на рис. 5.29. Каждый элемент списка содержит число импульсов сигнала времени относительно предыдущего таймера. В данном примере сигналы должны быть поданы в моменты времени 4203, 4207, 4213, 4215 и 4216.

На рис. 5.29 следующее прерывание произойдет через 3 тика. На каждом тике значение переменной Next signal, хранящей число тиков, оставшееся до подачи следующего сигнала, уменьшается на 1. Когда значение этой переменной достигает нуля, подается сигнал в соответствии с первым элементом списка, который затем удаляется из списка. После этого переменной Next signal присваивается значение следующего элемента списка, то есть 4 в нашем примере.

Обратите внимание, что за время прерывания от таймера драйвер часов должен выполнить несколько действий: увеличить показания часов истинного времени, уменьшить значение кванта времени, выделенного текущему процессу, и сравнить его с нулем, выполнить операцию учета использования центрального процессора и уменьшить счетчик таймера тревоги. Однако все эти операции должны быть тщательно оптимизированы по времени исполнения, так как они будут повторяться много раз в секунду.

Операционной системе также требуются таймеры. Они называются сторожевыми таймерами. Например, гибкие диски не вращаются, пока ими не пользуются, чтобы избежать слишком быстрого изнашивания носителей и головок дисковода. Когда требуются данные с гибкого диска, следует запустить двигатель. Только если гибкий диск вращается с полной скоростыо, может начаться операция ввода-вывода. Когда процесс пытается читать данные с находящегося в состоянии покоя гибкого диска, драйвер МВМД запускает двигатель и устанавливает сторожевой таймер, чтобы тот инициировал прерывание спустя время, достаточное для разгона диска. Сторожевой таймер необходим, так как накопители на гибких дисках не умеют формировать прерывания, сообщающие о том, что гибкий диск достаточно разогнался.

Механизм обработки сторожевых таймеров, используемый драйвером часов, тот же, что применяется для сигналов пользователя. Единственное отличие состоит в том, что когда таймер срабатывает, вместо подачи сигнала драйвер часов вызывает процедуру, предоставляемую обратившимся к нему процессом. Эта процедура является частью процесса. Она может сделать все, что нужно, даже вызвать прерывание, хотя внутри ядра прерывания часто бывают неудобны, а сигналов не существует. Вот почему предоставляется механизм сторожевых таймеров. Следует заметить, что этот механизм работает, только если драйвер таймера и вызываемая им процедура находятся в одном адресном пространстве.

Последняя функция таймеров в нашем списке — это сбор статистики. В некоторых операционных системах предоставляется механизм построения гистограммы, показывающей положение счетчика команд программы пользователя. Таким образом, пользователь может видеть, какие процедуры его программы какой процент процессорного времени потребляют. Для этого на каждом тике драйвер часов должен проверить, собирается ли статистика по текущему процессу, и если да, то определяет, в каком диапазоне адресов находится счетчик команд. После этого значение счетчика, соответствующее этому диапазону, увеличивается на единицу. Такой же метод может применяться для получения статистики по самой операционной системе.