CN103197971B

CN103197971B - Windows操作系统Pentium Ⅳ架构下高精度低CPU占用率定时器的实现方法

Info

Publication number: CN103197971B
Application number: CN201310140907.3A
Authority: CN
Inventors: 魏长安; 杨京礼; 李龙华; 李骥; 姜守达
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2033-04-22
Also published as: CN103197971A

Abstract

Windows操作系统Pentium IV架构下高精度低CPU占用率定时器的实现方法，涉及Windows操作系统的定时器软件开发技术领域。本发明的目的是设计一种高精度、同时CPU占用的资源又很少的定时器，以解决现在Windows多任务分时工作时很难达到高精度低CPU资源占用率的技术问题。利用Pentium IV架构PC机的芯片组内的8254芯片，通过编写8254中断定时器驱动程序、APIC驱动程序，在Windows下实现一个基于中断的硬时钟定时器；定义中断处理函数，改变中断描述符表中的中断门结构，并将自定义的中断处理函数的指针赋给门结构的值，实现对用户自定义中断处理函数的调用，实现了可应用的定时器；经测试，定时精度可达到亚毫米级，在定时为100us时，定时偏移小于7us，且CPU占用率极低，满足大多数windows系统定时应用要求。

Description

Windows操作系统Pentium Ⅳ架构下高精度低CPU占用率定时器的实现方法

技术领域

本发明涉及利用8254中断定时器在Windows操作系统Pentium IV架构下实现高精度低CPU占用率的定时器，涉及Windows操作系统的定时器软件开发技术领域。

背景技术

Windows操作系统提供给用户很多API来实现定时器功能，从原理上大致分为如下三种定时器：WM_TIMER消息定时器，多媒体定时器，Windows时间戳定时器。下面分别从实现方法和性能上介绍这三种定时器。

(1)WM_TIMER定时器

WM_TIMER定时器是Windows最简单的定时器，它得用SetTimer()函数设定定时器的间隔时间，然后定时为指定的线程发送WM_TIMER消息，WM_TIMER消息加入消息队列后等待处理。KillTimer()函数具有销毁定时器的功能。这种定时器的优点是使用简单，资源占用率小。但是WM_TIMER消息被处理的优先级是很低的。如果窗口的消息队列中不停的有其它消息发送过来，WM_TIMER消息就一直被推迟投递，也就是说，当调用SetTimer时所传入的uElapse参数是得不到保障的，因此WM_TIMER定时器的精度很低，平均值大约在15ms左右，这使得这种定时器非常不适合应用在高精度定时任务中。

(2)多媒体定时器

Windows下有一个多媒体定时器，用法为一组API函数的调用，它们是：

MMRESULT timeBeginPeriod(UINT uPeriod)；

MMRESULT timeSetEvent(UINT uDelay，UINT uResolution，LPTIMECALLBACKlpTimeProc，DWORD dwUser，UINT fuEvent)；

void CALLBACK TimeProc(UINT uID，UINT uMsg，DWORD dwUser，DWORD dw1，DWORD dw2)；

MMRESULT timeKillEvent(UINT uTimerID)；

MMRESULT timeEndPeriod(UINT uPeriod)；

其中timeBeginPeriod是用来设置最高定时精度的，最高精度为1ms，如果要产生间隔为1ms的中断，必须调用timeBeginPeriod(1)；当定时器用完之后就要用timeEndPeriod(1)；来恢复默认的精度。具体使用方法为在timeBeginPeriod(1)调用之后用timeSetEvent()注册一个回调函数，即一个中断处理过程。它还可以向回调函数传递一个参数，通常可以传送一个窗口句柄之类的东西。而回调函数TimeProc则从dwwUser参数中取出传递的参数使用。在Windows下，可以用这种方法进行1ms精度的定时数据采集，数据发送，但要保证1ms能完成所有的操作和运算。经过实践证明，用它来实现控制的精度是足够的。但是由于多媒体定时器是一个独立的线程在监视系统时钟，所以在多线程下，由于CPU时间片的切换，多媒体定时器也不能完成1ms的定时。

(3)时间戳定时器

时间戳定时器的原理是用一个独立的线程，时刻监视CPU时间戳计数器的增量变化，当增量变化大于设定的时间间隔，则跳入处理过程。Windows提供两个有关CPU时间戳的API函数：QueryPerformanceFrequency()获得当前CPU计数器频率和QueryPerformanceCounter()获得当前CPU计数器计数值。时间戳定时器内要有一个循环，作用就是时刻监视CPU计数器的变化，因此时间戳定时器占用的CPU资源非常多。从理论上讲时间戳定时器可以达到很短时间(甚至ns单位)的定时，前提是定时器的处理过程时间要小于定时器间隔时间。但是在Windows操作系统多任务机制下，如果其它线程与其共用CPU资源，那么在其它线程占用CPU时间片的时候，时间戳定时器停止监视CPU计数器计数增量变化，这个时候时间戳定时器无效，这造成时间戳定时器无法按预计的定时时间间隔工作，从而影响了时间戳定时器的工作效果。

Windows所提供的定时器基本上采用的是消息机制，多线程，轮询监视这几种方法，在Windows多任务分时工作时很难达到高精度低CPU资源占用率。

发明内容

本发明的目的是设计一种高精度、同时CPU占用的资源又很少的定时器，以解决现在Windows多任务分时工作时很难达到高精度低CPU资源占用率的技术问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种Windows操作系统Pentium IV架构下高精度低CPU占用率定时器的实现方法，所述方法的具体实现过程为：

步骤一、利用Pentium IV架构PC机芯片组内的8254芯片，通过编写8254中断定时器的驱动程序，对8254内部寄存器进行配置，使能了8254芯片的内部计数功能；

步骤二、通过编写的可编程中断控制器APIC驱动程序，在可编程中断控制器APIC中为8254PIT设定对应的中断向量；

步骤三、修改Windows IDT(中断描述表)，定义中断处理函数，改变中断描述符表中的中断门结构，并将自定义的中断处理函数的指针赋给门结构的值，对用户自定义中断处理函数的调用，实现了一个基于中断的硬时钟定时器。

在步骤二中，所述的可编程中断控制器APIC由本地高级中断控制器(LAPIC)和I/O高级中断控制器(IOAPIC)两部分组成，本地高级中断控制器位于CPU中，I/O高级中断控制器位于南桥芯片上，用于连接各个产生中断的设备。

可编程中断控制器APIC的工作过程为：收到来自IOAPIC的中断消息后，LAPIC及对应CPU通过中断请求寄存器IRR、当前中断服务寄存器ISR、任务优先级寄存器TPR、处理器优先级寄存器PPR以及中断结束寄存器EOI处理该中断。

LAPIC的ISR、IRR均为256bit寄存器，对应Pentium IV平台上的256个中断向量；IRR中相应位置1，代表LAPIC已接收中断，但还未交CPU处理；ISR中相应位置1，代表CPU已开始处理中断，但还未完成；当CPU正在处理某中断时，同类型中断如果发生，相应的IRR bit会再次置1；如果某中断被挂起在IRR中，同类型的中断发生，则ISR中相应的bit被置1；在APIC系统中，同一类型中断最多可以被计数两次；对于Pentium IV系列CPU，中断消息被LAPIC拒绝。

LAPIC需要软件写EOI来通知中断处理的完成，LAPIC中的EOI是一个32bit寄存器，对EOI写0表示中断处理完成。

所述定时器的中断处理过程为：

中断是通过中断描述符表(IDT)处理的，IOAPIC上有24个中断号引脚，每个中断号对应的设备发出中断后，IOAPIC都会向CPU发送一个中断消息，消息内部包括一个重要的值，就是中断向量，指定中断号的中断向量由RTE表中的0-7位确定，中断向量对应的中断门信息在IDT表中存储；改变中断描述符表中的中断门结构，将用户自定义中断处理函数的指针赋给门结构的值，在8254的每一个中断到来时，CPU便会执行用户自定义的中断服务程序，实现了基于8254PIT的高精度定时器。

在步骤一中，8254中断定时器驱动程序主要包含下列功能函数：

void pit8254_timerinit(ULONG ICW)，按控制字初始化定时器；

void pit8253_timerset(USHORT l，USHORT h)，设定计数值；

void pit8253_timerget(USHORT*l，USHORT*h)，读取计数值。

本发明的有益效果是：

在使用单片机上或DSP等智能芯片时，为了避免轮询造成的CPU资源浪费，大都采用中断的方式。现代PC机的芯片组内，都有一片中断定时器芯片，它可以发出定时中断或控制PC蜂鸣器发声，它的时钟信号可达1MHz以上，理论上可以实现us级定时。本发明就是利用该芯片在Windows下实现一个基于中断的硬时钟定时器。

本发明利用Pentium IV架构PC机的芯片组内的8254芯片，通过编写8254中断定时器驱动程序、APIC驱动程序，在Windows下实现一个基于中断的硬时钟定时器；定义中断处理函数，改变中断描述符表中的中断门结构，并将自定义的中断处理函数的指针赋给门结构的值，实现对用户自定义中断处理函数的调用，实现了可应用的定时器；经测试，定时精度可达到亚毫米级，在定时为100us时，定时偏移小于7us，且CPU占用率极低，满足大多数windows系统定时应用要求。在中断处理函数中，通过获取CPU计数器的值，计算相邻两次执行中断处理的时间差，测试中断定时精度，结果可达到亚毫米级，多次统计结果显示，在定时为100us时，定时偏移小于7us，且CPU占用率极低，满足大多数windows系统定时应用要求。

附图说明

图1是基于Pentium IV架构的PC机的芯片图；图2是典型的具有多个处理器的PC平台的结构框图(APIC模式)；图3是本发明方法的中断过程的调用原理框图(中断过程的调用)；图4是IDTR寄存器(IDTR Regisger)原理框图；图5是100us中断定时间隔测试结果图，图6是500us中断定时间隔测试结果图，图7是1ms中断定时间隔测试结果图。

具体实施方式

如图1～4所示，本实施方式所述的Windows操作系统Pentium IV架构下高精度低CPU占用率定时器的实现方法，在Windows实现高精度定时器主要包括三步：

步骤一、初始化8254芯片，设置内部寄存器，使能8254内部计数器：利用PentiumIV架构PC机芯片组内的8254芯片，通过编写8254中断定时器的驱动程序，对8254内部寄存器进行配置，使能了8254芯片的内部计数功能；

步骤二、在可编程中断控制器APIC中，为8254PIT设定对应的中断向量：通过编写的可编程中断控制器APIC驱动程序，在可编程中断控制器APIC中为8254PIT设定对应的中断向量；

步骤三、修改Windows IDT(中断描述表)，让中断触发后，进入自定义中断处理函数：修改Windows IDT(中断描述表)，定义中断处理函数，改变中断描述符表中的中断门结构，并将自定义的中断处理函数的指针赋给门结构的值，对用户自定义中断处理函数的调用，实现了一个基于中断的硬时钟定时器。

8254中断定时器设置过程：

基于Pentium IV架构的PC机的芯片组内，有8254PIT定时器芯片。8254芯片内部具有三个独立的16位计数器，它可用程序设置成多种工作方式，按十进制计数或二进制计数，最高计数频率可达1OMHz。如图1所示。

8254的三个计数器是独立的16位减法计数器。计数器的工作方式由工作方式寄存器确定。8254控制字格式如表l：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

SC₁

SC₀

RL₁

RL₀

M₂

M₁

M₀

BCD

各位的功能见表2～表5：

表2SCl、SCO-计数器选择

表3RL₁、RL₀-CPU读/写操作

表4M2、M1、M0-工作方式选择

表5BCD-计数方式选择

BCD	数码形式
		0	十六位二进制计数
1	四位十进制(BCD)码计数

选通信号GATE控制计数工作的进行，其功能如表6所示。

表6选通信号GATE的功能

本发明采用计数器0产生定时中断，设置工作方式为0，即：首先设置计数器初始值，在时钟信号CLK控制下进行行递减计数，计数结束(减至0)时产生上升沿中断，同时自动预置为初始值，计数器连续工作。

编写8254中断定时器驱动程序，主要包含下列功能函数：

void pit8254_timerinit(ULONG ICW)，按控制字初始化定时器

void pit8253_timerset(USHORT l，USHORT h)，设定计数值

void pit8253_timerget(USHORT*l，USHORT*h)，读取计数值

可编程中断控制器APIC设置：

APIC由两部分组成，一个称为LAPIC(Local APIC，本地高级中断控制器)，一个称为IOAPIC(I/O APCI，I/O高级中断控制器)。前者位于CPU中，每个CPU都有一个自己的LAPIC。后者通常位于南桥上，连接各个产生中断的设备。

在一个典型的具有多个处理器的PC平台，通常有一个IOAPIC和多个LAPIC，每个处理器对应一个LAPIC，它们相互配合，形成一个中断的分发网络，图2显示了这个典型的情况：

IOAPIC在PRT(Programmable Redirection Table)表中获取中断消息，发送给某个CPU的LAPIC，由LAPIC通知CPU进行处理。

目前典型的IOAPIC具有24个中断管脚，每个管脚对应一个RTE(RedirectionTable Entry)。RTE表是IOAPIC工作的关键，当IOAPIC某个管脚接收到中断信号后，会根据该管脚对应的RTE，格式化出一条中断消息，发送给相应(一个或多个)CPU的LAPIC。RTE表中包含了一个中断的所有信息。

收到来自IOAPIC的中断消息后，LAPIC及对应CPU通过中断请求寄存器IRR、当前中断服务寄存器ISR、任务优先级寄存器TPR、处理器优先级寄存器PPR以及中断结束寄存器EOI处理该中断。

LAPIC的ISR、IRR均为256bit寄存器，对应Pentium IV平台上的256个中断向量。IRR中相应位置1，代表LAPIC已接收中断，但还未交CPU处理。ISR中相应位置1，代表CPU已开始处理中断，但还未完成。当CPU正在处理某中断时，同类型中断如果发生，相应的IRR bit会再次置1；如果某中断被挂起在IRR中，同类型的中断发生，则ISR中相应的bit被置1。这说明在APIC系统中，同一类型中断最多可以被计数两次。对于Pentium IV系列CPU，中断消息被LAPIC拒绝。

编写APIC驱动程序，主要包含下列功能函数：

ULONG ioapic_read(struct ioapic*io，ULONG reg)，读取IOAPIC相应寄存器值

void ioapic_write(struct ioapic*io，ULONG reg，ULONG val)，写IOAPIC相应寄存器

void ioapic_init(void)，IOAPIC初始化

void ioapic_enable(ULONG irq，PIOAPIC_STRUCT io，ULONG vect)，使能指定中断号的中断并给出中断向量

void_ioapic_disable(ULONG irq，ULONG cpunum，PIOAPIC_STRUCT io)，屏蔽指定中断号的中断

void ioapic_backup(ULONG*low，ULONG*high)，备份IOAPIC全部寄存器值

void ioapic_recover(ULONG*low，ULONG*high)，按备份IOAPIC寄存器值恢复全部寄存器

void SetInterrupt_ToCPU(ULONG CPUNum)，设定所有中断为LOGICAL模式，并为其指定目的CPU

中断处理：

在IA-32架构处理器中，定时器中断是通过中断描述符表(IDT)处理的。

IOAPIC上有24个中断号引脚，每个中断号对应的设备发出中断后，IOAPIC都会向CPU发送一个中断消息，消息内部包括一个重要的值，就是中断向量，指定中断号的中断向量由RTE表中的0-7位确定，中断向量对应的中断门信息在IDT表中存储。如图3所示。

改变中断描述符表中的中断门结构，将用户自定义中断处理函数的指针赋给门结构的值，在8254的每一个中断到来时，CPU便会执行用户自定义的中断服务程序，这样就实现了基于8254PIT的高精度定时器。如图4所示。

本发明方法所述的定时器性能测试(测试中断定时精度)：

每次中断，中断处理函数都会获取CPU计数器的值，把这个值进行运算，转换到us单位的值，这里记为CurrentTime。上一次中断获得的这个us单位的值，这里记为BeforeTime。两个值的差就是实际定时器中断的定时间隔。同时为了说明8254PIT中断定时器不受Windows任务调度的影响，测试时操作系统中运行了两个死循环线程。

结果用曲线图来表示，图中的X轴为定时中断的次数，每次中断间隔次数就是X轴的一个刻度值。Y轴为每次中断间隔的时间值。每个测试由1024个点组成，即测试了1024 次中断时间间隔。

首先进行定时间隔为100us的定时测试。结果如图5所示。从图中可以看出，1024次100us中断定时中，最大的时间间隔是105us，最小时间间隔为94us，通过windows任务管理器查看，设计的定时器占用CPU率小于1％(实际显示为0％)。

进行定时间隔为500us的定时测试。结果如图6所示。从图中可以看出，1024次500us中断定时中，最大的时间间隔是503us，最小时间间隔为497us，通过windows任务管理器查看，设计的定时器占用CPU率小于1％(实际显示为0％)。

进行定时间隔为1ms的定时测试。结果如图7所示。从图中可以看出，1024次1ms中断定时中，最大的时间间隔是1003us，最小时间间隔为996us，通过windows任务管理器查看，设计的定时器占用CPU率小于1％(实际显示为0％)。

Claims

1.一种Windows操作系统PentiumⅣ架构下高精度低CPU占用率定时器的实现方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤一、利用PentiumⅣ架构PC机芯片组内的8254芯片，通过编写8254中断定时器的驱动程序，对8254内部寄存器进行配置，使能了8254芯片的内部计数功能；

所述的8254中断定时器驱动程序包含下列功能函数：

按控制字初始化定时器的函数；

设定计数值的函数；

读取计数值的函数；

所述的可编程中断控制器APIC由本地高级中断控制器和I/O高级中断控制器两部分组成，本地高级中断控制器位于CPU中，I/O高级中断控制器位于南桥芯片上，用于连接各个产生中断的设备；

可编程中断控制器APIC的工作过程为：收到来自IOAPIC的中断消息后，LAPIC及对应CPU通过中断请求寄存器IRR、当前中断服务寄存器ISR、任务优先级寄存器TPR、处理器优先级寄存器PPR以及中断结束寄存器EOI处理该中断；

LAPIC的ISR、IRR均为256bit寄存器，对应PentiumⅣ平台上的256个中断向量；IRR中相应位置1，代表LAPIC已接收中断，但还未交CPU处理；ISR中相应位置1，代表CPU已开始处理中断，但还未完成；当CPU正在处理某中断时，同类型中断如果发生，相应的IRR bit会再次置1；如果某中断被挂起在IRR中，同类型的中断发生，则ISR中相应的bit被置1，在可编程中断控制器APIC中，同一类型中断最多可以被计数两次，对于PentiumⅣ系列CPU，如果目前已经有两个未处理完的同类型中断，再次产生同类型的中断消息被LAPIC拒绝；

LAPIC需要软件写中断结束寄存器EOI来通知中断处理的完成，LAPIC中的中断结束寄存器EOI是一个32bit寄存器，对中断结束寄存器EOI写0表示中断处理完成；

步骤三、修改Windows IDT，定义中断处理函数，改变中断描述符表中的中断门结构，并将自定义的中断处理函数的指针赋给门结构的值，对用户自定义中断处理函数的调用，实现了一个基于中断的硬时钟定时器；

定时器的中断处理过程为：中断是通过中断描述符表IDT处理的，IOAPIC上有24个中断号引脚,每个中断号对应的设备发出中断后，IOAPIC都会向CPU发送一个中断消息，消息内部包括一个重要的值,就是中断向量,指定中断号的中断向量由RTE表中的0-7位确定，中断向量对应的中断门信息在IDT表中存储；改变中断描述符表中的中断门结构,将用户自定义中断处理函数的指针赋给门结构的值，在8254的每一个中断到来时，CPU便会执行用户自定义的中断服务程序，实现了基于8254PIT的高精度定时器。