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原来操作系统获取时间的方式也这么 low

脚本之家 2022-09-23

The following article is from 低并发编程 Author 闪客

 关注脚本之家”,与百万开发者在一起

作者 | 闪客sun

来源 | 低并发编程(ID:dibingfa)
已获得原公众号的授权转载

------- 正文开始 -------


书接上回,上回书咱们说到,通过初始化控制台的 tty_init 操作,内核代码可以很方便地在控制台输出字符啦!
作为用户也可以通过敲击键盘,或调用诸如 printf 这样的库函数,在屏幕上输出信息,同时支持换行和滚屏等友好设计,这些都是 tty_init 初始化,以及其对外封装的小功能函数,来实现的。  我们继续往下看下一个初始化的倒霉鬼,time_initvoid main(void) {
    ...
    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    trap_init();
    blk_dev_init();
    chr_dev_init();
    tty_init();
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
    hd_init();
    floppy_init();
    
    sti();
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) {init();}
    for(;;) pause();
}
曾经我很好奇,操作系统是怎么获取到当前时间的呢
当然,现在都联网了,可以从网络上实时同步。那当没有网络时,为什么操作系统在启动之后,可以显示出当前时间呢?难道操作系统在电脑关机后,依然不停地在某处运行着,勤勤恳恳数着秒表么?
当然不是,那我们今天就打开这个 time_init 函数一探究竟。
打开这个函数后我又是很开心,因为很短,且没有更深入的方法调用。#define CMOS_READ(addr) ({ \
    outb_p(0x80|addr,0x70); \
    inb_p(0x71); \
})


#define BCD_TO_BIN(val) ((val)=((val)&15) + ((val)>>4)*10)

static void time_init(void) {
    struct tm time;
    do {
        time.tm_sec = CMOS_READ(0);
        time.tm_min = CMOS_READ(2);
        time.tm_hour = CMOS_READ(4);
        time.tm_mday = CMOS_READ(7);
        time.tm_mon = CMOS_READ(8);
        time.tm_year = CMOS_READ(9);
    } while (time.tm_sec != CMOS_READ(0));
    BCD_TO_BIN(time.tm_sec);
    BCD_TO_BIN(time.tm_min);
    BCD_TO_BIN(time.tm_hour);
    BCD_TO_BIN(time.tm_mday);
    BCD_TO_BIN(time.tm_mon);
    BCD_TO_BIN(time.tm_year);
    time.tm_mon--;
    startup_time = kernel_mktime(&time);
}
梦想的代码呀!
 那主要就是对 CMOS_READ 和 BCD_TO_BIN 都是啥意思展开讲一下就明白了了。 首先是 CMOS_READ#define CMOS_READ(addr) ({ \
    outb_p(0x80|addr,0x70); \
    inb_p(0x71); \
})

就是对一个端口先 out 写一下,再 in 读一下。
 这是 CPU 与外设交互的一个基本玩法,CPU 与外设打交道基本是通过端口,往某些端口写值来表示要这个外设干嘛,然后从另一些端口读值来接受外设的反馈。
至于这个外设内部是怎么实现的,对使用它的操作系统而言,是个黑盒,无需关心。那对于我们程序员来说,就更不用关心了。
对 CMOS 这个外设的交互讲起来可能没感觉,我们看看与硬盘的交互。 最常见的就是读硬盘了,我们看硬盘的端口表。
端口


0x1F0

数据寄存器数据寄存器

0x1F1

错误寄存器特征寄存器

0x1F2

扇区计数寄存器扇区计数寄存器

0x1F3

扇区号寄存器或 LBA 块地址 0~7扇区号或 LBA 块地址 0~7
0x1F4
磁道数低 8 位或 LBA 块地址 8~15磁道数低 8 位或 LBA 块地址 8~15
0x1F5
磁道数高 8 位或 LBA 块地址 16~23磁道数高 8 位或 LBA 块地址 16~23
0x1F6
驱动器/磁头或 LBA 块地址 24~27驱动器/磁头或 LBA 块地址 24~27
0x1F7
命令寄存器或状态寄存器命令寄存器

那读硬盘就是,往除了第一个以外的后面几个端口写数据,告诉要读硬盘的哪个扇区,读多少。然后再从 0x1F0 端口一个字节一个字节的读数据。这就完成了一次硬盘读操作。 如果觉得不够具体,那来个具体的版本。 
  1. 在 0x1F2 写入要读取的扇区数

  2. 在 0x1F3 ~ 0x1F6 这四个端口写入计算好的起始 LBA 地址

  3. 在 0x1F7 处写入读命令的指令号

  4. 不断检测 0x1F7 (此时已成为状态寄存器的含义)的忙位

  5. 如果第四步骤为不忙,则开始不断从 0x1F0 处读取数据到内存指定位置,直到读完

 看,是不是对 CPU 最底层是如何与外设打交道有点感觉了?是不是也不难?就是按照人家的操作手册,然后无脑按照要求读写端口就行了。 当然,读取硬盘的这个无脑循环,可以 CPU 直接读取并做写入内存的操作,这样就会占用 CPU 的计算资源。
也可以交给 DMA 设备去读,解放 CPU,但和硬盘的交互,通通都是按照硬件手册上的端口说明,来操作的,实际上也是做了一层封装。 好了,我们已经学会了和一个外设打交道的基本玩法了。 那我们代码中要打交道的是哪个外设呢?就是 CMOS 它是主板上的一个可读写的 RAM 芯片,你在开机时长按某个键就可以进入设置它的页面。


那我们的代码,其实就是与它打交道,获取它的一些数据而已。
我们回过头看代码。static void time_init(void) {
    struct tm time;
    do {
        time.tm_sec = CMOS_READ(0);
        time.tm_min = CMOS_READ(2);
        time.tm_hour = CMOS_READ(4);
        time.tm_mday = CMOS_READ(7);
        time.tm_mon = CMOS_READ(8);
        time.tm_year = CMOS_READ(9);
    } while (time.tm_sec != CMOS_READ(0));
    BCD_TO_BIN(time.tm_sec);
    BCD_TO_BIN(time.tm_min);
    BCD_TO_BIN(time.tm_hour);
    BCD_TO_BIN(time.tm_mday);
    BCD_TO_BIN(time.tm_mon);
    BCD_TO_BIN(time.tm_year);
    time.tm_mon--;
    startup_time = kernel_mktime(&time);
}
前面几个赋值语句 CMOS_READ 就是通过读写 CMOS 上的指定端口,依次获取年月日时分秒等信息。具体咋操作代码上也写了,也是按照 CMOS 手册要求的读写指定端口就行了,我们就不展开了。 所以你看,其实操作系统程序,也是要依靠与一个外部设备打交道,来获取这些信息的,并不是它自己有什么魔力。操作系统最大的魅力,就在于它借力完成了一项伟大的事,借 CPU 的力,借硬盘的力,借内存的力,以及现在借 CMOS 的力。
至于 CMOS 又是如何知道时间的,这个就不在我们讨论范围了。 接下来 BCD_TO_BIN 就是 BCD 转换成 BIN,因为从 CMOS 上获取的这些年月日都是 BCD 码值,需要转换成存储在我们变量上的二进制数值,所以需要一个小算法来转换一下,没什么意思。 最后一步 kernel_mktime 也很简单,就是根据刚刚的那些时分秒数据,计算从 1970 年 1 月 1 日 0 时起到开机当时经过的秒数,作为开机时间,存储在 startup_time 这个变量里。 想研究可以仔细看看这段代码,不过我觉得这种细节不必看。startup_time = kernel_mktime(&time);

// kernel/mktime.c
long kernel_mktime(struct tm * tm)
{
    long res;
    int year;
    year = tm->tm_year - 70;
    res = YEAR*year + DAY*((year+1)/4);
    res += month[tm->tm_mon];
    if (tm->tm_mon>1 && ((year+2)%4))
        res -= DAY;
    res += DAY*(tm->tm_mday-1);
    res += HOUR*tm->tm_hour;
    res += MINUTE*tm->tm_min;
    res += tm->tm_sec;
    return res;
}
就这。
 所以今天其实就是,计算出了一个 startup_time 变量而已,至于这个变量今后会被谁用,怎么用,那就是后话了。 相信你逐渐也体会到了,此时操作系统好多地方都是用外设要求的方式去询问,比如硬盘信息、显示模式,以及今天的开机时间的获取等。 

所以至少到目前来说,你还不应该感觉操作系统有多么的“高端”,很多时候都是繁琐地,读人家的硬件手册,获取到想要的的信息,拿来给自己用,或者对其进行各种设置。

 

但你一定要耐得住寂寞,真正体现操作系统的强大设计之处,还得接着往下读。

 

欲知后事如何,且听下回分解。


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