分时多任务系统与抢占式调度
RISC-V架构中断
以内核所在的 S 特权级为例，中断屏蔽相应的 CSR 有 sstatus 和 sie 。sstatus 的 sie 为 S 特权级的中断使能，能够同时控制三种中断，如果将其清零则会将它们全部屏蔽。即使 sstatus.sie 置 1 ，还要看 sie 这个 CSR，它的三个字段 ssie/stie/seie 分别控制 S 特权级的软件中断、时钟中断和外部中断的中断使能。
- 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。
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。
时钟中断与计时器
计数器保存在一个 64 位的 CSR mtime
另外一个 64 位的 CSR mtimecmp 的作用是：一旦计数器 mtime 的值超过了 mtimecmp，就会触发一次时钟中断。这使得我们可以方便的通过设置 mtimecmp 的值来决定下一次时钟中断何时触发。
Chapter3 练习
void main() {
clean_bss(); // 清空 bss 段
proc_init(); // 初始化线程池
loader_init(); // 初始化 app_info_ptr 指针
trap_init(); // 开启中断
set_kerneltrap(); // 设置异常/中断入口为kerneltrap
w_stvec((uint64)kerneltrap & ~0x3);
timer_init(); // 开启时钟中断，现在还没有
run_all_app(); // 加载所有用户程序
scheduler(); // 开始调度
swtch(&idle.context, &p->context);
}
// swtch执行完后，会返回p->context.ra，在allocproc中设置为usertrapret，返回应用态
usertrapret();
set_usertrap(); // 这里设置异常、中断入口为uservec
userret();
sret
//...
usertrap(); //应用程序异常/系统调用/中断入口
set_kerneltrap();
首先在kernel中proc.h中定义TaskStatus和TaskInfo与用户态对应上。注意到这里TaskInfo中添加了t0和count成员，是用户态没有的，这里是自己实现lab时候hack的做法。
在struct proc中添加 TaskInfo *info成员，用来记录进程的信息。
typedef enum {
UnInit,
Ready,
Running,
Exited,
} TaskStatus;
typedef struct {
TaskStatus status;
unsigned int syscall_times[MAX_SYSCALL_NUM];
int time;
int t0;
int count;
} TaskInfo;
struct proc {
//...
TaskInfo *info;
};
syscall_ids.h中定义sys_task_info系统调用号
#define SYS_task_info 410
注意到proc.c中定义了__attribute__((aligned(4096))) char trapframe[NPROC][PAGE_SIZE] proc_init初始化的时候
p->trapframe = (struct trapframe *)trapframe[p - pool]; 这个操作，看起来是先静态定义NPROC个trapframe[PAGE_SIZE]，在init的时候再分配，把NPROC个trapframe[PAGE_SIZE]转化成(struct trapframe *)。这里看起来是数组与指针之间的转化关系。
__attribute__((aligned(4096))) char ustack[NPROC][PAGE_SIZE];则进行这样的转化：p->kstack = (uint64)kstack[p - pool];把NPROC个char ustack[PAGE_SIZE]转化成uint64了。
proc.c proc_init()中添加初始化proc中TaskInfo的部分
__attribute__((aligned(4096))) char info[NPROC][PAGE_SIZE];
void proc_init(void)
{
struct proc *p;
for (p = pool; p < &pool[NPROC]; p++) {
//...
p->info = (TaskInfo *)info[p - pool];
}
}
proc.c 在scheduler()在进程被调度后，proc->TaskInfo的t0变量记录刚被调度的时间点。并初始化proc->TaskInfo->status为Running。
void scheduler(void)
{
if (p->info->count == 0) {
p->info->t0 = get_cycle() / CPU_FREQ * 1000 + (get_cycle() % CPU_FREQ) * 1000 / CPU_FREQ; //前面是s转化成ms，后面是余下的ms
p->info->count++;
}
p->info->status = Running;
}
当应用程序调用sys_task_info后，流程为：
// ch3_taskinfo.c
sys_task_info(&info);
// user/lib/syscall.c
int sys_task_info(TaskInfo *ti)
syscall(SYS_task_info, ti);
// os/syscall.c
void syscall();
case SYS_task_info:
sys_task_info();
在os/syscall.c中添加sys_task_info系统调用。
uint64 sys_task_info(TaskInfo *info)
{
uint64 t1 = get_cycle() / CPU_FREQ * 1000 + (get_cycle() % CPU_FREQ) * 1000 / CPU_FREQ; // s + ms
struct proc *proc = curr_proc();
info->status = proc->info->status;
info->time = t1 - proc->info->t0;
for (int i = 0; i < MAX_SYSCALL_NUM; i++)
info->syscall_times[i] = curr_proc()->info->syscall_times[i];
return 0;
}
问答作业
1
2.1 L79:刚进入 userret 时，a0、a1 分别代表了什么值。
a0代表了trameframe的地址。从userret((uint64)trapframe)可以发现。
a1代表了
2.2 L87-L88: sfence 指令有何作用？为什么要执行该指令，当前章节中，删掉该指令会导致错误吗？
清除TLB缓存
所有现代的处理器都用TLB来减少开销。为了降低这个缓存本身的开销，大多数处理器不会让它时刻与页表保持一致。这意味着如果操作系统修改了页表，那么这个缓存会变得陈旧而不可用。S 模式添加了另一条指令来解决这个问题。这条sfence.vma 会通知处理器，软件可能已经修改了页表，于是处理器可以相应地刷新转换缓存。它需要两个可选的参数，这样可以缩小缓存刷新的范围。一个位于 rs1，它指示了页表哪个虚址对应的转换被修改了；另一个位于 rs2，它给出了被修改页表的进程的地址空间标识符（ASID）。如果两者都是 x0，便会刷新整个转换缓存。
本章中还没引入页表，不会导致错误。
2.3 L96-L125: 为何注释中说要除去 a0？哪一个地址代表 a0？现在 a0 的值存在何处？
因为a0保存着trameframe的地址，其他寄存器的值都保存在trameframe中。a0的值存入sscratch寄存器。
2.4 userret：中发生状态切换在哪一条指令？为何执行之后会进入用户态？
sret。sret指令会返回spec寄存器中保存的返回地址。在w_sepc(trapframe->epc)中设置为trapframe->epc。
2.5L29：执行之后，a0 和 sscratch 中各是什么值，为什么？
执行之后，a0为trapframe地址，sscrach为用户态传进来的第一个参数。
2.6 L32-L61: 从 trapframe 第几项开始保存？为什么？是否从该项开始保存了所有的值，如果不是，为什么？
第六项trapframe->ra开始保存。
2.7 进入 S 态是哪一条指令发生的？
ecall
2.8 L75-L76: ld t0, 16(a0) 执行之后，t0中的值是什么，解释该值的由来？
usertrap()的地址， usertrapret中设置了trapframe->kernel_trap = (uint64)usertrap。