自幹作業系統 - 初探 Timer 原理

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。

自幹作業系統 系列:

• Source Code, 專有名詞對照表, Demo/錄影
• 自幹作業系統 - Simple OS
• 自幹作業系統 - Networking Fundamentals
• 自幹作業系統 - 初探 Timer 原理
• 自幹作業系統 - Task and Scheduler
• 自幹作業系統 - Context Switch

註：內容僅是自學的一些筆記，如果有發現資訊不正確，或者描述錯誤，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：

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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() 計算方式以及初始 PIT 流程如下：

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volatile uint32_t tick = 0;

void init_timer(uint32_t frequency) {
    /*  1. divisor 表示震盪 N 次，就發出一次中斷。 */
    //
    // 用 frequency 當基數，如果想要每秒中斷 100 次，frequency=100，
    // 則晶片每數 (PIT8254_BASE_FREQ / frequency = 11931 次訊號，
    // 就發出一次中斷。
    uint32_t divisor = PIT_CLOCK_RATE / frequency;

    /* 2. 設定 PIT 的 模式控制 */
    // 0x43: PIT 的 模式控制 暫存器 埠號。 
    // 0x36 (00110110b): 這是控制字組（Control Word）。
    //  - 00: 選擇通道 0（接在 IRQ0，負責系統時鐘）。
    //  - 11: 存取模式 (LOBYTE/HIBYTE)，先寫低八位元，再寫高八位元
    //  - 011: 選擇模式 3（方波產生器，最適合當作時鐘）。
    //         它會自動重新加載計數器，適合產生週期性心跳。
    outb(0x43, 0x36);

    /* 3. 把 divisor 值塞到 8254 暫存器. */
    // 8254 是 8bit 匯流排
    // 先取得 divisor 的低 8 位元 (low byte) 和 高八位元 (high byte)
    uint8_t l = (uint8_t)(divisor & 0xFF);
    uint8_t h = (uint8_t)((divisor >> 8) & 0xFF);

    // 分成兩次, 把高低位原 依序「餵」進去
    // 0x40: 這是通道 0 的 資料暫存器
    outb(0x40, l); // low byte
    outb(0x40, h); // high byte
}

整個流程有三個步驟：

1. 計算 divisor：表示震盪 N 次，就發出一次中斷。freq=100 標示 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。
2. 設定 PIT 模式控制：包含選擇通道、存取模式、選擇訊號產生的方式。
3. 把 divisor 寫入 PIT：把 1193 這個數字跟 PIT 講，之後這個頻率就發出中斷訊號。

timer.c 的 tick 值是一個 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

另一個例子，是電影 頭文字 D 裡面的對話，描述對時間體感越來越慢的時候，其實背後就是類似的概念，代表 tick 數越來越高了！

「幾年前，他說看東西不清楚，我帶他去配眼鏡。誰知道驗過眼睛以後，一點事也沒有。……他對我說，最近不知道為什麼，開車的時候看東西越來越慢，那時候，我才知道，他越來越快了。」

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。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：

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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(); 
     // ex: particles, projectiles, interactive tiles, inventory ... etc.
}

兩者都是有一個 while(true) {} 的 loop，然後固定調用 function - timer_handler() and update()但不同的是：

1. 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。
2. Game Loop 裡 update() 更新的每一個 Frame，前後彼此之間是有關聯的。如果計算錯誤、或者計算延遲，就會產生卡頓、掉幀的感覺。
3. 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 搶佔 (Preemption)。Game Loop 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：

簡單說：

• 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，我在看待 Linux Kernel 時是尊敬的，因為他是人類智慧與文明的精華，經過千錘百鍊的結果。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，有時候會有 一曝十寒 之感。

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

timer.c 延伸議題還有很多想寫，不過再寫下去篇幅太長了，相關題目先做個紀錄，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 Process Control Block、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

最後。。。還是要提一下 AI，字很多，但其實只有寫 30%。

知識飛輪的推與拉 - 知識複利

AI 的發展飛速，最近大部分的人都可以用 Agentic 方式快速寫出應用程式。有程式背景的人，在使用上的生產力更是 10x 倍速的成長。也出現 Andrej Karpathy 用 LLM-Wiki 做 知識管理 概念的方法，有人把想法快速用 Agentic 方法做出來 - 像是 Graphify。

我先不提軟體工程或 SRE 等議題。

AI 我定位是個高效能工具，創意協作工具，依舊是工具。使用的人才是 主要、主要的，AI 是 次要的。 再次強調，人是主要的，工具是次要的。

使用的人可以透過 AI 推進產品的開發、推進工作產能提升。同時也可以透過 AI 拉動自己，提升自己的本職學能、知識、啟發創意。

我在 自幹作業系統 這件事情上定位是 - Just for Fun & Learning。也就是目標是充實我腦袋裡的知識，在學習與實踐過程中，把片段的知識補齊、把這些學習的知識連結起來。注意我這句話：

把片段的知識補齊、把這些學習的知識連結起來

主詞是誰？主動的是誰？

答案是我自己。

1. 我自己把知識放到腦袋裡
2. 我自己把知識點連結起來

這個過程，我腦袋裡會建立屬於自己的知識連結，做深度思考、深度連結。也就是我們常說的：

資料 -> 資訊 -> 知識 -> 智慧

這個循環又稱為 DIKW 體系，我在以前學習音樂就很常在用這概念。

我在 聊聊分散式系統 最後提到人類大腦運作的原理，當時是用分散式系統在解讀。底下是簡單摘要：

人類大腦由 140 億個神經元組成，神經元又由細胞體、神經纖維組成，其中細胞體想像成計算機，神經纖維想像成網路。生命的演化，正是因為神經元不斷地增長，最後才演化出智慧生命體：人類。人類大腦的 灰質 相當於 計算機 (細胞體)，白質 相當於 連結系統 (神經纖維) 的網路。表示人腦約有 140 億台計算機 (灰質、細胞體) 同時在運作，計算機之間透過網路連結 (白質、神經纖維)。

研究顯示註，人與人之間的區別，不在灰質，在於白質。例如鋼琴家的白質，遠比普通人發達的多。人與人之間腦袋裡的運算能力其實大同小異，但是相差很大的是腦袋裡的網路的連線方式不同。

其實我用來解讀知識管理也是通的。也就是知識管理的重點不在搜集或者整理，重點在於 連結，然後形成的體系。關鍵在於 連結，誰來做連結？要把知識放到腦袋裡的人，也就是你自已。

換言之，AI LLM 可以很快速的整理出所有資料，畫出一個漂亮的關聯拓樸，這表示什麼？使用知識的人，從頭到尾都沒有在自己的腦袋裡建立連結，換言之，你依舊停在原地。

我在 聊聊寫 Blog 的想法 最後也寫到，我每寫一篇文章的過程，就會把過去寫的東西串起來，這個過程的思路都是我自己連結的。經過幾次的複利效應之後，文章就會成為一個體系，最後就會形成我個人的知識，我稱為 複利知識。所以知識管理這個議題，只要有持續寫文章，持續重構、組織的人，看到用 LLM 整理文章，我的直覺反應就是：

他是他，你是你。

文章關聯快速建立起來，但你並沒有因此真的獲得知識。

回到段落標題，知識飛輪的推與拉，我引用的是 Amazon 的 飛輪效應 概念，利用 推與拉做知識管理，飛輪效應之下的知識管理帶來的 複利效應。

如果你有耐心看到這裡，應該不難發現，這段整個過程我都在串聯我過去寫的文章，以及想法。這個過程就是連結知識，創造 知識複利。

底下問題我先留白，一些很現實的問題，未來可以探討的：

1. 大家 (80%) 都可以用 Agenitc 寫出應用，那彼此的差異是什麼？公司為什麼要用你？
2. Vibe Coding 可以很快做出應用程式，不會寫程式的人很快做出一個類似 591 的租賃網站，他做得出來？你做得出來？
   • 這個有機會可以說說十幾年前，我在電商服務時，承接一些 3rd-party 遺留下來的東西 …
3. 用 AI 提升工作生產力，薪水有變多了？時間有變多了？生活更有餘裕了？
4. 大家 (80%) 都可以用 LLM KM 創造出自己的第二大腦，所以這些人都變得有知識了？有智慧了？有創造力？
5. 很多人都可以用 AI 快速寫出應用，然後呢？因此創造 Income，往 FIRE 走？或者滿街的人都往 FIRE 前進？
6. 承上，稍微提一下 軟體工程，這些被快速創造的應用：
   • 個人用的：過了半年後還有在用？功能都滿足了？
   • 企業：過了半年有多少應用還在記憶體裡運行的？多少人在用？都沒有 Bug？
   • 上述應用的維護成本 –> 簡單帶入 SRE …

我不是反對 AI 的一些方法，我自己也用很兇 (燒很多錢)。而是要提醒我自己 (其實別人怎樣不關我的事)，不要因為這些工具太強大，因而帶來 淺薄思考 與 知識幻覺，反而要善用他們來強大自己，讓生活更豐富更有想像，帶來更多探索的樂趣。但要認清的事實是：

1. AI 建立的只是資料的拓樸，你在腦袋裡建立的資料網路才能形成「知識」。
2. 看懶人包，學不到知識；寫懶人包，才真正擁有知識。
3. 只有透過深度思考，才能真的學習。

幾個名詞，我自己亂掰的：

• 知識幻覺: 大概類似 達克效應 的概念。很叫 AI 做事，誤以為自己很厲害，其實一曝十寒。
• 知識飛輪: 從飛輪效應和知識管理結合而來，形容建立腦袋知識體系的方法，就是 推與拉
• 複利知識: 跟知識飛輪類似的想法，集合知識管理與複利效應這兩個詞，重點在於知識是可以透過連結不斷堆疊，產生複利效應的。最好的方法就是寫 Blog，然後要連結他們。寫流水帳的沒用。

收筆。

延伸閱讀

自幹作業系統 系列

• Source Code
• Demo/錄影
• 專有名詞對照表
• 自幹作業系統 - Simple OS
• 自幹作業系統 - Networking Fundamentals
• 自幹作業系統 - 初探 Timer 原理
• 自幹作業系統 - Task and Scheduler
• 自幹作業系統 - Context Switch

站內文章

• 純手工遊戲開發心得紀錄 - Java 2D RPG Game
• 聊聊分散式系統
• 聊聊寫 Blog 的想法

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)