在 自幹作業系統 - Simple OS 的過程中，我的學習方法是快速的先取得成就感，透過與 AI 協作過程，快速刻出能動的、完整的，只用了三週就完成實作 (03/12 - 03/27)，但是非常古早味的作業系統，說白話：先能動再說，好聽的就是 麻雀雖小，五臟俱全。但往下探索，很容易暴露一個現實：知其然，不知所以然，有些東西就是沒有透測的理解。但也是這份好奇心停留在心裡，我開始往下了解與深究背後的原理以及知識，同時也連結到以前的經驗與知識 (或者資訊)。

Day12 - Timer/PIT (Programmable Interval Timer) 是我開始深究的題目，底下是我好奇的幾個點：

• timer.c 中出現的狀聲詞 tick 以及 Magic Number 1,193,180 覺得很好奇
• timer.c 裡的 timer_handler() 跟 Game Loop 有點像

整理一下探索過程學習到的資料，以及自問自答相關資料。

註：內容僅是自學的一些筆記，如果有發現資訊不正確，後者描述錯誤，請不令給予指教，感謝。

Timer in SimpleOS

計算機構成 Timer (計時器) 整個工作的角色有以下：

1. CPU: 中央處理單元，負責計算資料
2. PIT: Programmable Interval Timer (可程式化間隔計時器)，負責產生固定的頻率為 1,193,180 Hz，通常是 INTEL 8253/8254 晶片，背後的物理原理是透過 石英振盪器 (Crystal Oscillator) 輸出固定的頻率
3. PIC: Programmable Interrupt Control (可程式化中斷控制器)，當外部硬體 (PIT、鍵盤、滑鼠、網卡) 發出中斷訊號時，負責執行仲裁角色，通常是 INTEL 8259 晶片
4. OS: 作業系統，介於硬體與應用層之間的軟體。

註：PIT, PIC 這兩顆晶片在現代計算機裡，會被整合在主機板上的 南橋晶片 組內，但邏輯與職責上還是分開的。

用一個例子來說明，這三個角色的運作：

• 主管 (CPU) 在負責對外溝通與協調，正在忙著開會中；而團隊成員 (其他硬體: 滑鼠、鍵盤) 有事要找他；秘書 (PIC) 則負責管理誰可以去敲老闆的門；行事曆 (PIT) 則是一個時間軸。
• 當整點時間到了 (PIT)，秘書 (PIC) 會根據 來敲門的團隊成員 (滑鼠與鍵盤) 優先序，安排跟老闆 (CPU) 碰面。
• PIT 就是個固定計數器，一直在數數 (tick)，一個單位時間的數值到了，就會跟 PIC 講，由 PIC 根據次序安排硬體跟 CPU 溝通。

SimpleOS 的 timer.c 有以下介面：

1
2

void init_timer(uint32_t frequency);
void timer_handler(void);

其中 init_timer() 負責出根據 PIT 的工作頻率與目標中斷次數 (frequency)，計算出 tick 的最小單位，然後把 tick 最小單位的值寫到 PIT。而 timer_handler() 則是負責記錄每次中斷的 tick 累加。

整個 Timer 概念在 Simple OS 裡大概如下：

PIT - INTEL 8254

計數器晶片 INTEL 8254 負責產生的規律電子訊號，他的基礎頻率是 1.19318 MHz (1,193,180 Hz)，頻率則透過 石英振蕩器生成 (Crystal Oscillator)。1,193,180 這個數字緣由是彩色電視 NTSC 的副載波頻率（14.31818 MHz）經過 12 分頻計算得來。在電子工程中，「分頻 (Frequency Division)」指的是將一個高頻率的訊號，轉換成較低頻率訊號的過程。簡單說「12 分頻」就是把原始頻率除以 12。

14.31818 MHz / 12 = 1,193,181 Hz

作業系統約定成俗的會使用 1,193,180 或 1,193,182 當常數

80 年代 (IBM PC 誕生初期) 工程師為了省錢，不想在主機板上插滿各種不同頻率的石英鐘，於是採用了「一魚多吃」策略：

• 主頻源：只買一個最便宜、大量生產的 14.31818 MHz 石英震盪器 (當時因為彩色電視普及，這種零件極度便宜)。
• 給顯卡用：這個頻率直接給彩色顯示卡使用，因為它剛好是 NTSC 電視訊號的 4 倍。
• 給 CPU 用：經過 3 分頻 (14.318 MHz / 3 = 4.77 MHz)，這就是初代 IBM PC 處理器的時脈。
• 給計時器用：經過 12 分頻 (14.318 MHz / 12 = 1.19 MHz)，這就是 8254 PIT 晶片拿到的工作頻率。

PIC - INTEL 8259

中斷控制器 (Programmable Interrupt Controller, PIC) 通常是 Intel 8259 這顆晶片，是介於所有硬體設備（如 PIT、鍵盤、滑鼠）與 CPU 之間的「通訊官」。PIC 的角色如同警衛，在 PIC 向 CPU 發出中斷訊號後，會自動擋住後續的所有硬體中斷訊號。如果 OS 不回覆 EOI (End of Interrupt) 指令給 PIC，PIC 會判定 CPU 仍在處理舊的中斷，導致 PIC 停止發送任何新的中斷訊號給 CPU，最終造成 OS 無法接收新的 Tick 或硬體事件，系統表現如同「當機」。

OS 透過發送 EOI (End of Interrupt) 指令告訴 PIC：

OS 已經處理完當前的中斷請求，PIC 可以發送下一個中斷訊號給 CPU 了。

完成告知之後，OS 就可以做所謂的 Context Switch，把 CPU 的使用權讓出去給其他的 Task，這個過程則是透過 Scheduler 執行。在 SimpleOS 的實作，是在 timer_handler() 裡面最後調用 schedule()，實踐 搶佔式多工 (Preemptive Multitasking)，強行切換任務，達成「每個程式都在同時執行」的假象。

timer.c#init_timer() - 初始節拍器最小單位：Tick

tick (狀聲詞, 滴答聲) 用來記錄 作業系統 的 節拍數、虛擬時間，定義作業系統的節奏感，從開機就開始計算，每次的累加，都代表著作業系統時間的流逝。

實際的運作原理是利用 INTEL 8254 的基頻 - 1,193,180 Hz，我們想在每秒產生 100 次中斷 / 100 個 tick，在 timer.c#init_timer() 計算方式如下：

1
2
3

void init_timer(uint32_t frequency) {
    // divisor = 1,193,180 / 100 = 1,193.180
    uint32_t divisor = PIT_CLOCK_RATE / frequency;

PIT 每經過 1193.18 個震盪週期，就是一個 tick (一拍)，每秒則有 100 個 tick。

這是一個 原子操作 或受 中斷保護 的操作，確保所有依賴時間的 SysCall (如 sleep) 都有統一的參考。所以 tick 在 c 語言裡需要宣告 volatile，保證 tick 可見性 (Visibility)。如果沒有它，在多工或編譯器優化下，一個 while(tick < target) 的無窮迴圈可能會因為編譯器認為 tick 在迴圈內沒被修改，而將其優化為死循環，永遠不重新讀取記憶體中的新值。

題外話：編曲軟體 (Digial Audio Workstation, DAW) 中常用的 Piano Roll 畫面，為了要可以紀錄更自然、更真實的演奏時間，每個拍子的單位不是只有固定在節奏數，而是有個單位稱為 PPQ (Pulses Per Quarter Note)，例如 PPQ=360，代表一拍可以再細分 360 個等分，透過這樣的方式可以紀錄演奏更細緻的表情，像是琶音這種技巧。現代的 DAW 像是 Logic Pro、FL Studio 預設為 960 PPQ。下圖由 Google 產生

timer.c#timer_handler() - 作業系統的 Game Loop

timer.c#timer_handler() 每一個週期會被 IRQ32 中斷 interrupts.S 呼叫一次，整個內容最重要的幾件事：

1. 累加 Tick，也就是現在是第幾個 Clock
2. 告訴 中斷控制器，這個 Tick 結束，請重新分配 Task
3. 讓 OS 透過 Task Scheduler 執行 Context Switch，重新分配 CPU

整個 Timer 運作流程如下：

timer_handler() 是透過 PIC 固定週期就被調用一次，概念類似於 Game Loop 裡的 FPS。但不同的是：

Game Loop 會因為 Update 處理的效能 (通常是 2D/3D 圖形渲染)，因而影響 FPS 的大小。

底下是我在 純手工遊戲開發 - Java 2D RPG Game 的 Game Loop 精簡過後的片段邏輯：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

public void run() {
    double drawInterval = 1000000000 / FPS; // 0.016666 seconds per frame
    double delta = 0;
    long lastTime = System.nanoTime();
    long currentTime;
    long timer = 0;
    int drawCount = 0;

    while(gameThread != null) {
        currentTime = System.nanoTime();
        delta += (currentTime - lastTime) / drawInterval;
        timer += currentTime - lastTime;
        lastTime = currentTime;

        if(delta >= 1) {
            update();
            delta--;
            drawCount++;
        }

        if (timer >= 1000000000) {
            drawCount = 0;
            timer = 0;
        }
    }
}

public void update() {  // 類似 timer_handler
     player.update();
     npc.update();
     monster.update();
     // ... ooxx.update();
}

OS 不能因為 task 慢了，tick 計數就停下來，這在電腦科學中稱為 不可屏蔽性 或 強制性 (Preemption)。遊戲中的 Update() 是協作式的 (前一個跑完下一個才跑）；OS 的 timer_handler 是侵入式的（管你跑完沒，硬體訊號強行插隊）。

底下我整理了我自己的理解的差異：

Game Loop：主動式。跑者自己看手錶，跑太快就 Sleep。
OS Tick：被動式。硬體監工每隔一段時間「啪」地拍桌子，強制 CPU 停下工作，執行 OS 的家務事。

小結

在 Linux 面前，我的知識是匱乏的、無知的，我在看到 Linux Kernel 是尊敬的，他是人類智慧與文明的精華。開啟 Simple OS 自幹的初衷，就是覺得我自己知識匱乏的緊，即使我已經工作數十餘載，但常常還是覺得自己懂的太少。

洋蔥是學習是我的方法，一圈一圈的扒開，逐漸明朗，好玩又有趣！再配合很多既有的課程，像是 Linux 核心設計: Timer 及其管理機制、以前在研究 分散式系統 讀過的論文 Time, clocks, and the ordering of events in a distributed system – Leslie Lamport (1978)，利用幫我 AI 探索，這個過程是有趣且豐富的！

但如果只是把這一切都交給 AI Agent，那最後我將得到一個能用的東西，但我依舊停在原點，呈現 淺薄思考 與 知識匱乏 的狀態。

未完

本來還有還有很多想寫，不過再寫下去篇幅太長了，先做個紀錄，之後慢慢來補。

• timer.c 概念，那麼 User Space 的 sleep() 是怎麼被實作出來的？
  • 已經完成實作，不過內容篇福有點多，加上要講到 Task Scheduler 會有點複雜，需要放到獨立的一篇來講。
• 實務上曾經遇過跟時間有關的想法，包含 sleep(), ntp、k8s cpu=100m 的意思
• 摘要現代 Linux Kernel 跟 timer / tick 相關的資訊
• 探索程式語言 Java 21 sleep() 的實作
• 以前在研究 分散式系統 讀過的論文 Time, clocks, and the ordering of events in a distributed system – Leslie Lamport (1978) 的一些想法

延伸閱讀

站內文章

• 自幹作業系統 - SimpleOS
• 自幹作業系統 - Networking Fundamentals
• 純手工遊戲開發心得紀錄 - Java 2D RPG Game
• 聊聊分散式系統

參考資料

• Linux 核心設計: Timer 及其管理機制
• Intel 8253 / 8254 - programmable interval timers (PITs)
• Intel 8259 - programmable interrupt controller (PIC)
• Time, clocks, and the ordering of events in a distributed system - Leslie Lamport (1978)