Linux 0.11-操作系统如何获取时间-17

Posted 2022-12-10 热爱编程的大忽悠

Linux 0.11-操作系统如何获取时间-17

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操作系统如何获取时间

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_init。

void 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	读	写
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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