1　使用定时器（harib09a）

定时器1（Timer）对于操作系统非常重要。它在原理上却很简单，只是每隔一段时间（比如0.01秒）就发送一个中断信号给CPU。幸亏有了定时器，CPU才不用辛苦地去计量时间。……如果没有定时器会怎么样呢？让我们想象一下吧。

1 英文的Timer在汉语中有“定时器”或“时钟”等多种译法。另外，Clock这个词，也经常译作“时钟”。这两个词，意义上是不同的，如果都译作“时钟”，会引起混乱。本文原文为日文，用到了“Timer”和“Clock”这两个词的音译词。为了区别这两个词，本文中我们将Timer称作“定时器”，Clock称作“时钟周期”或“周期”。——译者注

假如CPU看不到定时器而仍想计量时间的话，就只能牢记每一条指令的执行时间了。比如，往寄存器写入常数的MOV指令是1个时钟周期（Clock）；加法计算的ADD指令原则上是1个时钟周期，但根据条件不同可能是2个时钟周期……等等。CPU不仅要牢记这些内容，然后还要据此调查一下调用这些函数所需的时间，比如，调用这个函数需要150个时钟周期，调用那个函数因参数不同需要106到587个时钟周期等。

而这里的“时钟周期”又不是一个固定值。比如CPU主频是100MHz的话，一个时钟周期是10 纳秒；但主频如果是200MHz，1个时钟周期就是5纳秒。既然CPU有各种主频，那么1个时钟周期的时间也就各不相同。

这样做可以勉强通过程序对时间进行管理，实现每隔一定时间进行一次某种处理，比如让钟表（程序）的秒针动起来。如果程序中时间计算出错了，那么做出的钟表不是快就是慢，没法使用。

如果没有定时器，还会出现别的麻烦，即不能使用HLT指令。完成这个指令所需的时钟周期，不是个固定值。这样，一旦执行HLT指令，程序就不知道时间了。不能执行HLT指令，就意味着要浪费很多电能。所以只能二选一，要么放弃时间的计量，要么选择浪费电能。左右为难，实在糟糕透顶。

打个比方说，如果大家没有手表还想知道时间，那该怎么办呢？当然，不准看太阳，也不准看星星。那就只能根据肚子的饥饿程度，或者烧一壶开水所用的时间等方法来判断了。总之只能是一边干点儿什么，一边计算时间，而且决不能睡觉！一睡觉就没法计时了……嗯，就类似这种情况。

然而实际上，由于有定时器中断，所以不用担心会发生这样的悲剧。程序只需要以自己的步调处理自己的问题就行了。至于到底经过了多长时间，只要在中断处理程序中数一数定时器中断发生的次数就可以了。就算CPU处于HLT状态，也可以通过中断来唤醒。根本就没必要让程序自己去记忆时间。CPU也就可以安心地去睡觉了（HLT）。这样，大家还可以省点电费（笑）。

所以说定时器非常重要。管理定时器是操作系统的重大任务之一，所以在“纸娃娃操作系统”中我们也想使用定时器。

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要在电脑中管理定时器，只需对PIT进行设定就可以了。PIT是“ Programmable Interval Timer”的缩写，翻译过来就是“可编程的间隔型定时器”。我们可以通过设定PIT，让定时器每隔多少秒就产生一次中断。因为在电脑中PIT连接着IRQ（interrupt request，参考第6章）的0号，所以只要设定了PIT就可以设定IRQ0的中断间隔。……在旧机种上PIT是作为一个独立的芯片安装在主板上的，而现在已经和PIC（programmable interrupt controller，参考第6章）一样被集成到别的芯片里了。

前几天我们学习PIC时曾经非常辛苦，从现在开始，我们又要重温那种感觉了。大家可不要想：“怎么又学这个？”刚开始学习PIC时，陌生的东西比较多，学起来很费力。这次就不会那么辛苦了。

首先来看资料，还是到我们每次必去的那个网站。电脑里的定时器用的是8254芯片（或其替代品），那就查一下这个芯片吧。

http://community.osdev.info/?(PIT)82548254)

以上内容，如果全部讲解的话太长了。所以这里就不一一详述了，大家来看下面“给怕麻烦的读者”这一部分吧。

  • IRQ0的中断周期变更:

    • AL=0x34:OUT(0x43,AL);

    • AL=中断周期的低8位; OUT(0x40,AL);

    • AL=中断周期的高8位; OUT(0x40,AL);

    • 到这里告一段落。

    • 如果指定中断周期为0，会被看作是指定为65536。实际的中断产生的频率是单位时间时钟周期数（即主频）/设定的数值。比如设定值如果是1000，那么中断产生的频率就是1.19318KHz。设定值是10000的话，中断产生频率就是119.318Hz。再比如设定值是11932的话，中断产生的频率大约就是100Hz了，即每10ms发生一次中断。

我们不清楚其中的详细原理，只知道只要执行3次OUT指令设定就完成了。将中断周期设定为11932的话，中断频率好像就是100Hz，也就是说1秒钟会发生100次中断。那么我们就设定成这个值吧。把11932换算成十六进制数就是0x2e9c，下面是我们编写的函数init_pit。

本次的timer.c节选

  1. #define PIT_CTRL    0x0043
  2. #define PIT_CNT0    0x0040
  4. void init_pit(void)
  5. {
  6.     io_out8(PIT_CTRL, 0x34);
  7.     io_out8(PIT_CNT0, 0x9c);
  8.     io_out8(PIT_CNT0, 0x2e);
  9.     return;
  10. }

本次的bootback.c节选

  1. void HariMain(void)
  2. {
  3.     （中略）
  5.     init_gdtidt();
  6.     init_pic();
  7.     io_sti(); /* IDT/PIC的初始化已经结束，所以解除CPU的中断禁止*/
  8.     fifo8_init(&keyfifo, 32, keybuf);
  9.     fifo8_init(&mousefifo, 128, mousebuf);
  10.     init_pit(); /* 这里！ */
  11.     io_out8(PIC0_IMR, 0xf8); /* PIT和PIC1和键盘设置为许可(11111000) */ /* 这里！ */
  12.     io_out8(PIC1_IMR, 0xef); /* 鼠标设置为许可(11101111) */
  14.     （中略）
  15. }

这样的话IRQ0就会在1秒钟内发生100次中断了。

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下面我们来编写IRQ0发生时所调用的中断处理程序。它几乎和键盘中断处理程序一样，所以就不用再讲了吧。

本次的timer.c节选

  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给PIC */
  4.     /* 暂时什么也不做 */
  5.     return;
  6. }

本次的naskfunc.nas节选

  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
  11.         POP     EAX
  12.         POPAD
  13.         POP     DS
  14.         POP     ES
  15.         IRETD

为了把这个中断处理程序注册到IDT，inlt_gdtidt函数中也要加上几行。这也和键盘处理的时候差不多。

本次的dsctbl.c节选

  1. void init_gdtidt(void)
  2. {
  3.     （中略）
  5.     /* IDT的设定 */
  6.     set_gatedesc(idt + 0x20, (int) asm_inthandler20, 2 * 8, AR_INTGATE32); /* 这里! */
  7.     set_gatedesc(idt + 0x21, (int) asm_inthandler21, 2 * 8, AR_INTGATE32);
  8.     set_gatedesc(idt + 0x27, (int) asm_inthandler27, 2 * 8, AR_INTGATE32);
  9.     set_gatedesc(idt + 0x2c, (int) asm_inthandler2c, 2 * 8, AR_INTGATE32);
  11.     return;
  12. }

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到这里准备工作就完成了。也不知能不能正常运行。正常的话，嗯，应该什么都不发生（笑）。下面我们执行“make run”。哦，什么也没发生。太好了！但这样有点不过瘾，还是在中断处理程序中做点什么吧！