分时多任务系统

现代的任务调度算法基本都是抢占式的，它要求每个应用只能连续执行一段时间，然后内核就会将它强制性切换出去。 一般将 时间片 (Time Slice) 作为应用连续执行时长的度量单位，每个时间片可能在毫秒量级。 简单起见，我们使用 时间片轮转算法 (RR, Round-Robin) 来对应用进行调度。

时钟中断与计时器

实现调度算法需要计时。RISC-V 要求处理器维护时钟计数器 mtime，还有另外一个 CSR mtimecmp 。 一旦计数器 mtime 的值超过了 mtimecmp，就会触发一次时钟中断。

运行在 M 特权级的 SEE 已经预留了相应的接口，基于此编写的 get_time 函数可以取得当前 mtime 计数器的值；

// os/src/timer.rs

use riscv::register::time;

pub fn get_time() -> usize {
    time::read()
}

在 10 ms 后设置时钟中断的代码如下：

 1// os/src/sbi.rs
 2
 3const SBI_SET_TIMER: usize = 0;
 4
 5pub fn set_timer(timer: usize) {
 6    sbi_call(SBI_SET_TIMER, timer, 0, 0);
 7}
 8
 9// os/src/timer.rs
10
11use crate::config::CLOCK_FREQ;
12const TICKS_PER_SEC: usize = 100;
13
14pub fn set_next_trigger() {
15    set_timer(get_time() + CLOCK_FREQ / TICKS_PER_SEC);
16}

  • 第 5 行， sbi 子模块有一个 set_timer 调用，用来设置 mtimecmp 的值。

  • 第 14 行， timer 子模块的 set_next_trigger 函数对 set_timer 进行了封装， 它首先读取当前 mtime 的值，然后计算出 10ms 之内计数器的增量，再将 mtimecmp 设置为二者的和。 这样，10ms 之后一个 S 特权级时钟中断就会被触发。

    至于增量的计算方式， CLOCK_FREQ 是一个预先获取到的各平台不同的时钟频率，单位为赫兹，也就是一秒钟之内计数器的增量。 它可以在 config 子模块中找到。10ms 的话只需除以常数 TICKS_PER_SEC 也就是 100 即可。

后面可能还有一些计时的需求，我们再设计一个函数：

// os/src/timer.rs

const MICRO_PER_SEC: usize = 1_000_000;

pub fn get_time_us() -> usize {
    time::read() / (CLOCK_FREQ / MICRO_PER_SEC)
}

timer 子模块的 get_time_us 可以以微秒为单位返回当前计数器的值。

新增一个系统调用，使应用能获取当前的时间：

第三章新增系统调用（二）
/// 功能：获取当前的时间，保存在 TimeVal 结构体 ts 中，_tz 在我们的实现中忽略
/// 返回值：返回是否执行成功，成功则返回 0
/// syscall ID：169
fn sys_get_time(ts: *mut TimeVal, _tz: usize) -> isize;

结构体 TimeVal 的定义如下，内核只需调用 get_time_us 即可实现该系统调用。

// os/src/syscall/process.rs

#[repr(C)]
pub struct TimeVal {
    pub sec: usize,
    pub usec: usize,
}

RISC-V 架构中的嵌套中断问题

默认情况下，当 Trap 进入某个特权级之后，在 Trap 处理的过程中同特权级的中断都会被屏蔽。

  • 当 Trap 发生时，sstatus.sie 会被保存在 sstatus.spie 字段中，同时 sstatus.sie 置零， 这也就在 Trap 处理的过程中屏蔽了所有 S 特权级的中断；

  • 当 Trap 处理完毕 sret 的时候， sstatus.sie 会恢复到 sstatus.spie 内的值。

也就是说，如果不去手动设置 sstatus CSR ，在只考虑 S 特权级中断的情况下，是不会出现 嵌套中断 (Nested Interrupt) 的。

注解

嵌套中断与嵌套 Trap

嵌套中断可以分为两部分：在处理一个中断的过程中又被同特权级/高特权级中断所打断。默认情况下硬件会避免前一部分， 也可以通过手动设置来允许前一部分的存在；而从上面介绍的规则可以知道，后一部分则是无论如何设置都不可避免的。

嵌套 Trap 则是指处理一个 Trap 过程中又再次发生 Trap ，嵌套中断算是嵌套 Trap 的一种。

抢占式调度

有了时钟中断和计时器，抢占式调度就很容易实现了：

// os/src/trap/mod.rs

match scause.cause() {
    Trap::Interrupt(Interrupt::SupervisorTimer) => {
        set_next_trigger();
        suspend_current_and_run_next();
    }
}

我们只需在 trap_handler 函数下新增一个分支，触发了 S 特权级时钟中断时，重新设置计时器， 调用 suspend_current_and_run_next 函数暂停当前应用并切换到下一个。

为了避免 S 特权级时钟中断被屏蔽，我们需要在执行第一个应用前调用 enable_timer_interrupt() 设置 sie.stie， 使得 S 特权级时钟中断不会被屏蔽；再设置第一个 10ms 的计时器。

 1// os/src/main.rs
 2
 3#[no_mangle]
 4pub fn rust_main() -> ! {
 5    // ...
 6    trap::enable_timer_interrupt();
 7    timer::set_next_trigger();
 8    // ...
 9}
10
11// os/src/trap/mod.rs
12
13use riscv::register::sie;
14
15pub fn enable_timer_interrupt() {
16    unsafe { sie::set_stimer(); }
17}

就这样，我们实现了时间片轮转任务调度算法。 power 系列用户程序可以验证我们取得的成果：这些应用并没有主动 yield， 内核仍能公平地把时间片分配给它们。