2.2 内核模式和用户模式
MS-DOS等操作系统在单一的CPU模式下运行，但是一些类Unix的操作系统则使用了双模式，可以有效地实现时间共享。在Linux机器上，CPU要么处于受信任的内核模式，要么处于受限制的用户模式。除了内核本身处于内核模式以外，所有的用户进程都运行在用户模式之中。
内核模式的代码可以无限制地访问所有处理器指令集以及全部内存和I/O空间。如果用户模式的进程要享有此特权，它必须通过系统调用向设备驱动程序或其他内核模式的代码发出请求。另外，用户模式的代码允许发生缺页，而内核模式的代码则不允许。
在2.4和更早的内核中，仅仅用户模式的进程可以被上下文切换出局，由其他进程抢占。除非发生以下两种情况，否则内核模式代码可以一直独占CPU：
(1) 它自愿放弃CPU;
(2) 发生中断或异常。
2.6内核引入了内核抢占，大多数内核模式的代码也可以被抢占。
2.3 进程上下文和中断上下文
内核可以处于两种上下文：进程上下文和中断上下文。在系统调用之后，用户应用程序进入内核空间，此后内核空间针对用户空间相应进程的代表就运行于进程上下文。异步发生的中断会引发中断处理程序被调用，中断处理程序就运行于中断上下文。中断上下文和进程上下文不可能同时发生。
运行于进程上下文的内核代码是可抢占的，但进程上下文则会一直运行至结束，不会被抢占。因此，内核会限制中断上下文的工作，不允许其执行如下操作：
(1) 进入睡眠状态或主动放弃CPU;
(2) 占用互斥体;
(3) 执行耗时的任务;
(4) 访问用户空间虚拟内存。
本书4.2节会对中断上下文进行更深入的讨论。
2.4 内核定时器
内核中许多部分的工作都高度依赖于时间信息。Linux内核利用硬件提供的不同的定时器以支持忙等待或睡眠等待等时间相关的服务。忙等待时，CPU会不断运转。但是睡眠等待时，进程将放弃CPU。因此，只有在后者不可行的情况下，才考虑使用前者。内核也提供了某些便利，可以在特定的时间之后调度某函数运行。
我们首先来讨论一些重要的内核定时器变量(jiffies、HZ和xtime)的含义。接下来，我们会使用Pentium时间戳计数器(TSC)测量基于Pentium的系统的运行次数。之后，我们也分析一下Linux怎么使用实时钟(RTC)。
2.4.1 HZ和Jiffies
系统定时器能以可编程的频率中断处理器。此频率即为每秒的定时器节拍数，对应着内核变量HZ。选择合适的HZ值需要权衡。HZ值大，定时器间隔时间就小，因此进程调度的准确性会更高。但是，HZ值越大也会导致开销和电源消耗更多，因为更多的处理器周期将被耗费在定时器中断上下文中。
2.6.21内核支持无节拍的内核（CONFIG_NO_HZ），它会根据系统的负载动态触发定时器中断。无节拍系统的实现超出了本章的讨论范围，不再详述。
jiffies变量记录了系统启动以来，系统定时器已经触发的次数。内核每秒钟将jiffies变量增加HZ次。因此，对于HZ值为100的系统，1个jiffy等于10ms，而对于HZ为1000的系统，1个jiffy仅为1ms。
为了更好地理解HZ和jiffies变量，请看下面的取自IDE驱动程序(drivers/ide/ide.c)的代码片段。该段代码会一直轮询磁盘驱动器的忙状态：
while (hwgroup->busy) {
/* ... */
if (time_after(jiffies, timeout)) {
return -EBUSY;
}
/* ... */
}
return SUCCESS;
如果忙条件在3s内被清除，上述代码将返回SUCCESS，否则，返回-EBUSY。3*HZ是3s内的jiffies数量。计算出来的超时jiffies + 3*HZ将是3s超时发生后新的jiffies值。time_after()的功能是将目前的jiffies值与请求的超时时间对比，检测溢出。类似函数还包括time_before()、time_before_eq()和time_after_eq()。
jiffies被定义为volatile类型，它会告诉编译器不要优化该变量的存取代码。这样就确保了每个节拍发生的定时器中断处理程序都能更新jiffies值，并且循环中的每一步都会重新读取jiffies值。
对于jiffies向秒转换，可以查看USB主机控制器驱动程序drivers/usb/host/ehci-sched.c中的如下代码片段：
ehci_info(ehci, "ep%ds-iso rescheduled " "%lu times in %lu
seconds\n", stream->bEndpointAddress, is_in? "in":
"out", stream->rescheduled,
((jiffies – stream->start)/HZ));
}
上述调试语句计算出USB端点流(见第11章)被重新调度stream->rescheduled次所耗费的秒数。jiffies-stream->start是从开始到现在消耗的jiffies数量，将其除以HZ就得到了秒数值。
假定jiffies值为1000，32位的jiffies会在大约50天的时间内溢出。由于系统的运行时间可以比该时间长许多倍，因此，内核提供了另一个变量jiffies_64以存放64位(u64)的jiffies。链接器将jiffies_64的低32位与32位的jiffies指向同一个地址。在32位的机器上，为了将一个u64变量赋值给另一个，编译器需要2条指令，因此，读jiffies_64的操作不具备原子性。可以将drivers/cpufreq/cpufreq_stats.c文件中定义的cpufreq_stats_update()作为实例来学习。
