时钟中断
在本节中，我们处理一种很重要的中断：时钟中断。这种中断我们可以设定为每隔一段时间硬件自动触发一次，在其对应的中断处理程序里，我们回到内核态，并可以强制对用户态或内核态的程序进行打断、调度、监控，并进一步管理它们对于资源的使用情况。
[info] riscv 中的中断寄存器
S 态的中断寄存器主要有 sie（Supervisor Interrupt Enable，监管中断使能）, sip （Supervisor Interrupt Pending，监管中断待处理）两个，其中 s 表示 S 态，i 表示中断， e/p 表示 enable (使能)/ pending (提交申请)。 处理的中断分为三种：
- SI(Software Interrupt)，软件中断
- TI(Timer Interrupt)，时钟中断
- EI(External Interrupt)，外部中断
比如
sie有一个STIE位， 对应sip有一个STIP位，与时钟中断 TI 有关。当硬件决定触发时钟中断时，会将STIP设置为 1，当一条指令执行完毕后，如果发现STIP为 1，此时如果时钟中断使能，即sie的STIE位也为 1 ，就会进入 S 态时钟中断的处理程序。
时钟初始化
// src/lib.rs
mod timer;
// src/timer.rs
use crate::sbi::set_timer;
use riscv::register::{
time,
sie
};
// 当前已触发多少次时钟中断
pub static mut TICKS: usize = 0;
// 触发时钟中断时间间隔
// 数值一般约为 cpu 频率的 1% ， 防止过多占用 cpu 资源
static TIMEBASE: u64 = 100000;
pub fn init() {
unsafe {
// 初始化时钟中断触发次数
TICKS = 0;
// 设置 sie 的 TI 使能 STIE 位
sie::set_stimer();
}
// 硬件机制问题我们不能直接设置时钟中断触发间隔
// 只能当每一次时钟中断触发时
// 设置下一次时钟中断的触发时间
// 设置为当前时间加上 TIMEBASE
// 这次调用用来预处理
clock_set_next_event();
println!("++++ setup timer! ++++");
}
pub fn clock_set_next_event() {
// 调用 OpenSBI 提供的接口设置下次时钟中断触发时间
set_timer(get_cycle() + TIMEBASE);
}
// 获取当前时间
fn get_cycle() -> u64 {
time::read() as u64
}
开启内核态中断使能
事实上寄存器 sstatus 中有一控制位 SIE，表示 S 态全部中断的使能。如果没有设置这个SIE控制位，那在 S 态是不能正常接受时钟中断的。
// src/interrupt.rs
pub fn init() {
unsafe {
extern "C" {
fn __alltraps();
}
sscratch::write(0);
stvec::write(__alltraps as usize, stvec::TrapMode::Direct);
// 设置 sstatus 的 SIE 位
sstatus::set_sie();
}
println!("++++ setup interrupt! ++++");
}
响应时钟中断
让我们来更新 rust_trap 函数来让它能够处理多种不同的中断——当然事到如今也只有三种中断：
- 使用
ebreak触发的断点中断； - 使用
ecall触发的系统调用中断； - 时钟中断。
// src/interrupt.rs
use riscv::register::{
scause::{
self,
Trap,
Exception,
Interrupt
},
sepc,
stvec,
sscratch,
sstatus
};
use crate::timer::{
TICKS,
clock_set_next_event
};
#[no_mangle]
pub fn rust_trap(tf: &mut TrapFrame) {
// 根据中断原因分类讨论
match tf.scause.cause() {
// 断点中断
Trap::Exception(Exception::Breakpoint) => breakpoint(&mut tf.sepc),
// S态时钟中断
Trap::Interrupt(Interrupt::SupervisorTimer) => super_timer(),
_ => panic!("undefined trap!")
}
}
// 断点中断处理：输出断点地址并改变中断返回地址防止死循环
fn breakpoint(sepc: &mut usize) {
println!("a breakpoint set @0x{:x}", sepc);
*sepc += 2;
}
// S态时钟中断处理
fn super_timer() {
// 设置下一次时钟中断触发时间
clock_set_next_event();
unsafe {
// 更新时钟中断触发计数
// 注意由于 TICKS 是 static mut 的
// 后面会提到，多个线程都能访问这个变量
// 如果同时进行 +1 操作，会造成计数错误或更多严重bug
// 因此这是 unsafe 的，不过目前先不用管这个
TICKS += 1;
// 每触发 100 次时钟中断将计数清零并输出
if (TICKS == 100) {
TICKS = 0;
println!("* 100 ticks *");
}
}
// 发生外界中断时，epc 指向的指令没有完成执行，因此这里不需要修改 epc
}
同时修改主函数 rust_main ：
// src/init.rs
#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_main() -> ! {
crate::interrupt::init();
// 时钟初始化
crate::timer::init();
unsafe {
asm!("ebreak"::::"volatile");
}
panic!("end of rust_main");
loop {}
}
我们期望能够同时处理断点中断和时钟中断。断点中断会输出断点地址并返回，接下来就是 panic，我们 panic 的处理函数定义如下：
// src/lang_items.rs
#[panic_handler]
fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {
println!("{}", info);
loop {}
}
就是输出 panic 信息并死循环。我们可以在这个死循环里不断接受并处理时钟中断了。
最后的结果确实如我们所想：
[success] breakpoint & timer interrupt handling
++++ setup interrupt! ++++ ++++ setup timer! ++++ a breakpoint set @0x8020002c panicked at 'end of rust_main', src/init.rs:11:5 * 100 ticks * * 100 ticks * ...
如果出现问题的话，可以在这里找到目前的代码。