使用可编程间隔定时器(Programmable Interval Timer)编写系统时钟

MiniKernel

很久没有写关于MiniKernel的文章了,这周末看着有点时间,就写一点关于定时器的东西吧。

8253

简单介绍

可编程间隔定时器(PIT)芯片(也就是我们常说的8253/8254芯片),他包含了1个振荡器,1个预分频器和3个独立的分频器。每个分频器有一个输出,它是可以让定时器控制外部电路(例如,IRQ0)

其中PIT的振荡器的频率是1.193182 MHz。具体为什么是这么个奇怪的数字,是有一点历史的,但这些不是这篇文章的重点,有兴趣的可以Google一下。

分频器也比较容易理解,就是把高频分割为低频,一般来说就是使用一个计数器,当每次脉冲的时候,计数器的数值减少,当计数器数值为0的时候,在输出上产生一个脉冲,并且计数器复位,重新开始计数。

PIT定时器的准确度依赖于所使用的振荡器,一般来说,一天的浮动为+/- 1.73秒。不过这种浮动,对我们影响并不大,所以也不必过于在意。

PIT的输出通道一共有三个:通道0,直接连接到IRQ0,并且触发时钟中断(这个通道是我们写MiniKernel最重要的一个。)。通道1,貌似以前是定时刷新内存的,但是现在没什么用了。通道2是连接到PC扬声器的,目前我也没有研究过它的作用。

这里再重点介绍一下通道0:PIT通道0的输出是连接到PIC芯片上的(8259A,以后有空也可以写一篇简单的介绍),因此,它能生成一个IRQ0的中断。通常情况下,在开机时,BIOS会将通道0的计数器的值设置为65535或0(其中如果是0,硬件会自动转化为65536),这样,它的输出频率就是18.2065Hz。另外,之所以说通道0最重要,主要原因就是它是三个通道中,唯一一个能连接到IRQ的,对于编写系统时钟至关重要。

编程相关

PIT是使用以下IO端口进行控制:

1
2
3
4
5
I/O 端口     用途
0x40         通道0的数据端口
0x41         通道1的数据端口
0x42         通道2的数据端口
0x43         控制字寄存器

控制字寄存器的具体内容如下:

8253cw

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Bits
6 7选择通道:
0 0 =通道0
0 1 =通道1
1 0 =通道2
1 1 =回读命令(只有8254支持)
4 5访问模式:
0 0 =锁存计数值命令
0 1 =访问模式:读写最低有效字节
1 0 =访问模式:读写最高有效字节
1 1 =访问模式:先读写最低有效字节,然后读写高位字节
1-3工作模式:
0 0 0 =模式0(计数结束中断)
0 0 1 =模式1(硬件再触发单稳)
0 1 0 =模式2(速率发生器)
0 1 1 =模式3(方波发生器)
1 0 0 =模式4(软件触发闸门)
1 0 1 =模式5(硬件触发闸门)
1 1 0 =模式2(速率发生器,与010B相同)
1 1 1 =模式3(方波发生器,与011B相同)
0 BCD /二进制模式:0 = 16位二进制数,1 =四位BCD</blockquote>

这里,我们要写系统时钟,那么就应该这样选择:

  1. 选择通道,必须是通道0,那么bit 6 7 就分别为 0 0。
  2. 由于我们的计数器是16位的,那么访问模式bit 4 5就应该选择1 1。
  3. 数据模式,毫无疑问选择二进制模式。
  4. 最后就是工作模式了,应该选择什么呢?这里我也不想把这些模式都讲的很清楚,因为那样就涉及到引脚和电平等等硬件知识。现在我们只需要知道0,1,4,5这些模式都可以触发中断,但是却不会自动复位。只有模式2和3会自动复位。所以模式2 3都是我们可以用来作为系统时钟的模式。那么1-3 bits可以为0 1 0或者0 1 1。

例子:

现在假设,系统的时钟中断例程已经设置好了,并且设置好了PIC的IRQ0到这个例程。下面要做的事情就是,设置时钟中断的频率了。

1
2
3
4
5
6
7
mov dx, 1193180 / 100 ; 没10ms触发一次中断
mov al, 110110b ; 设置控制字寄存器,上面已经介绍过每个位的含意
out 0x43, al
mov ax, dx
out 0x40, al   ;先设置低位的值
xchg ah, al
out 0x40, al   ;再设置高位的值

总的来说8253 和 8254 是很有用的芯片。他们可以用在很多不同的设备,并用于很多不同的目的。不过就目前的PC来说,系统对他们的依赖已经不像以前那样严重了。随着科技的进步,APIC Timer已经可以取代他们。另外2005年,Intel和MS已经联合开发了新的高精度的定时器芯片High Precision Event Timer(HPET)。

虽然成熟的系统可能已经不用8253 和 8254了,但是对于我们自己的迷你内核来说,使用它们就完全足够了

Post Directory

Article directory

  1. 简单介绍
  2. 编程相关
  3. 例子: