一、计数器
常用的可编程定时计数是8253。在 8253 内部有 3 个独立的计数器，分别是计数器 0 ~ 2，端口号分别为 0x40 ~ 0x42；每个计数器完全相同，都是 16 位大小，相互独立。8253 计数器是个减法计数器，从初值寄存器中得到初值，然后载入计数器中，然后随着时钟变化递减。三个计数器的作用如下：
- 计数器 0，端口号 0x40，用于产生时钟信号
- 计数器 1，端口号 0x41，用于 DRAM 的定时刷新控制；
- 计数器 2，端口号 0x42，用于内部扬声器发出不同音调的声音，原理是给扬声器输送某频率的方波；
计数器 0 用于产生时钟中断，就是连接在 IRQ0 引脚上的时钟，也就是控制计数器 0 可以控制时钟发生的频率，以改变时间片的间隔。计数器依赖振荡器提供脉冲作为输入，振荡器的频率大概是 1193182 Hz，假设希望中断发生的频率为 100Hz（10ms），那么计数器初值寄存器的值为 11931。
#define PIT_CHAN0_REG 0X40 // 0号计数器端口
#define PIT_CHAN2_REG 0X42 // 2号计数器端口
#define PIT_CTRL_REG 0X43 // 计数器的控制字寄存器端口
#define HZ 100
#define OSCILLATOR 1193182
#define CLOCK_COUNTER (OSCILLATOR / HZ) // 震荡这么多次发生中断，其实并不是准备的100hz, 因为不能被整除但是这不影响系统调度
#define JIFFY (1000 / HZ) // 时间片 10ms
// 时间片计数器
u32 volatile jiffies = 0;
u32 jiffy = JIFFY;
void clock_handler(int vector) // 时钟中断的处理函数
{
assert(vector == 0x20);
send_eoi(vector);
jiffies++;
DEBUGK("clock jiffies %d ...\n", jiffies);
}
void pit_init() // 初始化，这块不在详细说明，不同的位指定了使用哪个计数器和哪种模式无需关注
{
outb(PIT_CTRL_REG, 0b00110100);
outb(PIT_CHAN0_REG, CLOCK_COUNTER & 0xff);
outb(PIT_CHAN0_REG, (CLOCK_COUNTER >> 8) & 0xff);
}
void clock_init()
{
pit_init();
set_interrupt_handler(IRQ_CLOCK, clock_handler); // 设置时钟中断的中断函数
set_interrupt_mask(IRQ_CLOCK, true); // 打开外中断控制器的时钟中断开关
}
如上：我们定义了时间片为10ms，并初始化了计数器和时间中断的处理函数。运行这块代码就会每10ms打印一行内容。
二、蜂鸣器
扬声器有两种状态，输入和输出，状态可以通过键盘控制器中的端口号 0x61 设置，该寄存器结构如下：
- 0 计数器 2 门有效
- 1 扬声器数据有效
- 2 通道校验有效
- 3 奇偶校验有效
- 4 保留
- 5 保留
- 6 通道错误
- 7 奇偶错误
需要将 0 ~ 1 位置为 1，然后计数器 2 设置成 方波模式，就可以播放方波的声音。这里不再贴代码实现，比较简单，打开键盘控制器，并将0x61端口寄存器的0~1位置1。在输出程序配置如果有\a就启动蜂鸣器就可以了。
三、时间
PC机的时间是由CMOS提供的，它使用电池供电。实际上是 64 或 128 字节 RAM 内存块，是系统时钟芯片的一部分。该 64 字节的 CMOS 原先在 IBM PC-XT 机器上用于保存时钟和日期信息，存放的格式是 BCD 码。由于这些信息仅用去 14 字节，剩余的字节就用来存放一些系统配置数据。
CMOS 的地址空间是在基本地址空间之外的。因此其中不包括可执行的代码。它需要使用在端口 0x70,0x71 使用 in 和 out 指令来访问。为了读取指定偏移位置的字节，首先需要使用 out 向端口 0x70 发送指定字节的偏移值，然后使用 in 指令从 0x71 端口读取指定的字节信息。不过在选择字节（寄存器）时最好屏蔽到 NMI 中断。不同的偏移值存储的不同信息，例如偏移0x00是当前的秒值， 0x02 是当前分钟。还有闹钟的秒值，分钟值等。
typedef struct tm
{
int tm_sec; // 秒数 [0，59]
int tm_min; // 分钟数 [0，59]
int tm_hour; // 小时数 [0，59]
int tm_mday; // 1 个月的天数 [0，31]
int tm_mon; // 1 年中月份 [0，11]
int tm_year; // 从 1900 年开始的年数
int tm_wday; // 1 星期中的某天 [0，6] (星期天 =0)
int tm_yday; // 1 年中的某天 [0，365]
int tm_isdst; // 夏令时标志
} tm; // 定义时间结构
// 下面是 CMOS 信息的寄存器索引
#define CMOS_SECOND 0x00 // (0 ~ 59)
... // 省略了一些定义
#define MINUTE 60 // 每分钟的秒数
#define HOUR (60 * MINUTE) // 每小时的秒数
#define DAY (24 * HOUR) // 每天的秒数
#define YEAR (365 * DAY) // 每年的秒数，以 365 天算
// 每个月开始时的已经过去天数
static int month[13] = {
0, // 这里占位，没有 0 月，从 1 月开始
0,
(31),
(31 + 29),
(31 + 29 + 31),
(31 + 29 + 31 + 30),
(31 + 29 + 31 + 30 + 31),
(31 + 29 + 31 + 30 + 31 + 30),
(31 + 29 + 31 + 30 + 31 + 30 + 31),
(31 + 29 + 31 + 30 + 31 + 30 + 31 + 31),
(31 + 29 + 31 + 30 + 31 + 30 + 31 + 31 + 30),
(31 + 29 + 31 + 30 + 31 + 30 + 31 + 31 + 30 + 31),
(31 + 29 + 31 + 30 + 31 + 30 + 31 + 31 + 30 + 31 + 30)};
time_t startup_time; // 定义开机启动的时间
int century;
// 这里生成的时间可能和 UTC 时间有出入
// 与系统具体时区相关，不过也不要紧，顶多差几个小时
time_t mktime(tm *time)
{
time_t res;
int year; // 1970 年开始的年数
// 下面从 1900 年开始的年数计算，读取出来的年份是最后两位，这也是千年虫问题的根本原因
if (time->tm_year >= 70) // 这里未考虑2070年之后
year = time->tm_year - 70;
else
year = time->tm_year - 70 + 100;
res = YEAR * year; // 这些年经过的秒数时间
res += DAY * ((year + 1) / 4); // 已经过去的闰年，每个加 1 天
res += month[time->tm_mon] * DAY; // 已经过完的月份的时间
if (time->tm_mon > 2 && ((year + 2) % 4)) // 如果 2 月已经过了，并且当前不是闰年，那么减去一天
res -= DAY;
res += DAY * (time->tm_mday - 1); // 这个月已经过去的天
res += HOUR * time->tm_hour; // 今天过去的小时
res += MINUTE * time->tm_min; // 这个小时过去的分钟
res += time->tm_sec; // 这个分钟过去的秒
return res;
}
int get_yday(tm *time)
{
int res = month[time->tm_mon]; // 已经过去的月的天数
res += time->tm_mday; // 这个月过去的天数
int year;
if (time->tm_year >= 70)
year = time->tm_year - 70;
else
year = time->tm_year - 70 + 100;
// 如果不是闰年，并且 2 月已经过去了，则减去一天
// 注：1972 年是闰年，这样算不太精确，忽略了 100 年的平年
if ((year + 2) % 4 && time->tm_mon > 2)
{
res -= 1;
}
return res;
}
u8 cmos_read(u8 addr) // 从CMOS读取时间信息
{
outb(CMOS_ADDR, CMOS_NMI | addr);
return inb(CMOS_DATA);
};
void time_read_bcd(tm *time)
{
// CMOS 的访问速度很慢。为了减小时间误差，在读取了下面循环中所有数值后，
// 若此时 CMOS 中秒值发生了变化，那么就重新读取所有值。
// 这样内核就能把与 CMOS 的时间误差控制在 1 秒之内。
do
{
time->tm_sec = cmos_read(CMOS_SECOND);
time->tm_min = cmos_read(CMOS_MINUTE);
time->tm_hour = cmos_read(CMOS_HOUR);
time->tm_wday = cmos_read(CMOS_WEEKDAY);
time->tm_mday = cmos_read(CMOS_DAY);
time->tm_mon = cmos_read(CMOS_MONTH);
time->tm_year = cmos_read(CMOS_YEAR);
century = cmos_read(CMOS_CENTURY);
} while (time->tm_sec != cmos_read(CMOS_SECOND));
}
void time_read(tm *time)
{
time_read_bcd(time);
time->tm_sec = bcd_to_bin(time->tm_sec);
time->tm_min = bcd_to_bin(time->tm_min);
time->tm_hour = bcd_to_bin(time->tm_hour);
time->tm_wday = bcd_to_bin(time->tm_wday);
time->tm_mday = bcd_to_bin(time->tm_mday);
time->tm_mon = bcd_to_bin(time->tm_mon);
time->tm_year = bcd_to_bin(time->tm_year);
time->tm_yday = get_yday(time);
time->tm_isdst = -1;
century = bcd_to_bin(century);
}
void time_init()
{
tm time;
time_read(&time);
startup_time = mktime(&time);
LOGK("startup time: %d%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n",
century,
time.tm_year,
time.tm_mon,
time.tm_mday,
time.tm_hour,
time.tm_min,
time.tm_sec);
}
四、实时时钟中断
CMOS提供的另一个功能就是实时时钟，实时中断可以提供闹钟功能和定时任务功能。通过时钟中断也可以实现，如每次时钟中断都去检测下有没有到任务的定时时间，但是这样对性能损耗较高。
实时时钟是CMOS提供的中断，实时时钟中断位于中断控制器的第八个IRQ接口。可以提供周期性中断和闹钟中断等，可以控制周期性中断的中断频率。我们这里仅贴出周期性中断的视线，闹钟中断其实基本类似，根据CMOS的手册调整相关的寄存器值即可。
// 实时时钟中断处理函数
void rtc_handler(int vector)
{
assert(vector == 0x28); // 实时时钟中断向量号
send_eoi(vector); // 向中断控制器发送中断处理完成的信号
cmos_read(CMOS_C); // 读 CMOS 寄存器 C，允许 CMOS 继续产生中断
LOGK("rtc handler %d...\n", counter++);
}
void rtc_init()
{
u8 prev;
cmos_write(CMOS_B, 0b01000010); // 打开周期中断
cmos_read(CMOS_C); // 读 C 寄存器，以允许 CMOS 中断
outb(CMOS_A, (inb(CMOS_A) & 0xf) | 0b1110); // 1110代表中断周期为250ms
set_interrupt_handler(IRQ_RTC, rtc_handler);
set_interrupt_mask(IRQ_RTC, true);
set_interrupt_mask(IRQ_CASCADE, true);
}
如上所示，就打开CMOS的周期中断，每250ms触发一次。
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