时钟中断

本章的最后，我们来实现操作系统中极其重要的时钟中断。时钟中断是操作系统能够进行线程调度的基础，操作系统会在每次时钟中断时被唤醒，暂停正在执行的线程，并根据调度算法选择下一个应当运行的线程。

[info] RISC-V 中断寄存器的细分

在前面提到，sie 和 sip 寄存器分别保存不同中断种类的使能和触发记录。例如，软件中断的使能是 sie 中的 SSIE 位，触发记录是 sip 中的 SSIP 位。

RISC-V 中将中断分为三种：

• 软件中断（Software Interrupt），对应 SSIE 和 SSIP
• 时钟中断（Timer Interrupt），对应 STIE 和 STIP
• 外部中断（External Interrupt），对应 SEIE 和 SEIP

开启时钟中断

时钟中断也需要我们在初始化操作系统时开启，我们同样只需使用 riscv 库中提供的接口即可。

os/src/interrupt/timer.rs

//! 预约和处理时钟中断

use crate::sbi::set_timer;
use riscv::register::{time, sie, sstatus};

/// 初始化时钟中断
/// 
/// 开启时钟中断使能，并且预约第一次时钟中断
pub fn init() {
    unsafe {
        // 开启 STIE，允许时钟中断
        sie::set_stimer(); 
        // 开启 SIE（不是 sie 寄存器），允许内核态被中断打断
        sstatus::set_sie();
    }
    // 设置下一次时钟中断
    set_next_timeout();
}

这里可能引起误解的是 sstatus::set_sie()，它的作用是开启 sstatus 寄存器中的 SIE 位，与 sie 寄存器无关。SIE 位决定中断是否能够打断 supervisor 线程。在这里我们需要允许时钟中断打断 内核态线程，因此置 SIE 位为 1。
另外，无论 SIE 位为什么值，中断都可以打断用户态的线程。

设置时钟中断

每一次的时钟中断都需要操作系统设置一个下一次中断的时间，这样硬件会在指定的时间发出时钟中断。为简化操作系统实现，操作系统可请求（sbi_call 调用 ecall 指令）SBI 服务来完成时钟中断的设置。OpenSBI 固件在接到 SBI 服务请求后，会帮助 OS 设置下一次要触发时钟中断的时间，CPU 在执行过程中会检查当前的时间间隔是否已经超过设置的时钟中断时间间隔，如果超时则会触发时钟中断。

os/src/sbi.rs

/// 设置下一次时钟中断的时间
pub fn set_timer(time: usize) {
    sbi_call(SBI_SET_TIMER, time, 0, 0);
}

为了便于后续处理，我们设置时钟间隔为 100000 个 CPU 周期。越短的间隔可以让 CPU 调度资源更加细致，但同时也会导致更多资源浪费在操作系统上。

os/src/interrupt/timer.rs

/// 时钟中断的间隔，单位是 CPU 指令
static INTERVAL: usize = 100000;

/// 设置下一次时钟中断
/// 
/// 获取当前时间，加上中断间隔，通过 SBI 调用预约下一次中断
fn set_next_timeout() {
    set_timer(time::read() + INTERVAL);
}

由于没有一个接口来设置固定重复的时间中断间隔，因此我们需要在每一次时钟中断时，设置再下一次的时钟中断。

os/src/interrupt/timer.rs

/// 触发时钟中断计数
pub static mut TICKS: usize = 0;

/// 每一次时钟中断时调用
/// 
/// 设置下一次时钟中断，同时计数 +1
pub fn tick() {
    set_next_timeout();
    unsafe {
        TICKS += 1;
        if TICKS % 100 == 0 {
            println!("{} tick", TICKS);
        }
    }
}

实现时钟中断的处理流程

接下来，我们在 handle_interrupt() 根据不同中断种类进行不同的处理流程。

os/src/interrupt/handler.rs

/// 中断的处理入口
/// 
/// `interrupt.asm` 首先保存寄存器至 Context，其作为参数和 scause 以及 stval 一并传入此函数
/// 具体的中断类型需要根据 scause 来推断，然后分别处理
#[no_mangle]
pub fn handle_interrupt(context: &mut Context, scause: Scause, stval: usize) {
    // 可以通过 Debug 来查看发生了什么中断
    // println!("{:x?}", context.scause.cause());
    match scause.cause() {
        // 断点中断（ebreak）
        Trap::Exception(Exception::Breakpoint) => breakpoint(context),
        // 时钟中断
        Trap::Interrupt(Interrupt::SupervisorTimer) => supervisor_timer(context),
        // 其他情况，终止当前线程
        _ => fault(context, scause, stval),
    }
}

/// 处理 ebreak 断点
/// 
/// 继续执行，其中 `sepc` 增加 2 字节，以跳过当前这条 `ebreak` 指令
fn breakpoint(context: &mut Context) {
    println!("Breakpoint at 0x{:x}", context.sepc);
    context.sepc += 2;
}

/// 处理时钟中断
/// 
/// 目前只会在 [`timer`] 模块中进行计数
fn supervisor_timer(_: &Context) {
    timer::tick();
}

/// 出现未能解决的异常
fn fault(context: &mut Context, scause: Scause, stval: usize) {
    panic!(
        "Unresolved interrupt: {:?}\n{:x?}\nstval: {:x}",
        scause.cause(),
        context,
        stval
    );
}

至此，时钟中断就可以正常工作了。我们在 os/interrupt/mod.rs 中引入 mod timer 并在 初始化 handler::init() 语句的后面加入 timer::init() 就成功加载了模块。

最后我们在 main 函数中去掉 unreachable!()，然后观察时钟中断。应当可以看到程序每隔一秒左右进行一次输出 100 ticks 200 ticks……