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。

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：

  1. SI(Software Interrupt)，软件中断
  2. TI(Timer Interrupt)，时钟中断
  3. 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

1. // src/lib.rs

3. mod timer;

5. // src/timer.rs

7. use crate::sbi::set_timer;
8. use riscv::register::{
9. time,
10. sie
11. };

13. // 当前已触发多少次时钟中断
14. pub static mut TICKS: usize = 0;
15. // 触发时钟中断时间间隔
16. // 数值一般约为 cpu 频率的 1% ， 防止过多占用 cpu 资源
17. static TIMEBASE: u64 = 100000;
18. pub fn init() {
19. unsafe {
20. // 初始化时钟中断触发次数
21. TICKS = 0;
22. // 设置 sie 的 TI 使能 STIE 位
23. sie::set_stimer();
24. }
25. // 硬件机制问题我们不能直接设置时钟中断触发间隔
26. // 只能当每一次时钟中断触发时
27. // 设置下一次时钟中断的触发时间
28. // 设置为当前时间加上 TIMEBASE
29. // 这次调用用来预处理
30. clock_set_next_event();
31. println!("++++ setup timer!     ++++");
32. }

34. pub fn clock_set_next_event() {
35. // 调用 OpenSBI 提供的接口设置下次时钟中断触发时间
36. set_timer(get_cycle() + TIMEBASE);
37. }

39. // 获取当前时间
40. fn get_cycle() -> u64 {
41. time::read() as u64
42. }

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。

1. // src/interrupt.rs

3. pub fn init() {
4. unsafe {
5. extern "C" {
6. fn __alltraps();
7. }
8. sscratch::write(0);
9. stvec::write(__alltraps as usize, stvec::TrapMode::Direct);
10. // 设置 sstatus 的 SIE 位
11. sstatus::set_sie();
12. }
13. println!("++++ setup interrupt! ++++");
14. }

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：

  1. 使用 ebreak 触发的断点中断；
  2. 使用 ecall 触发的系统调用中断；
  3. 时钟中断。
1. // src/interrupt.rs

3. use riscv::register::{
4. scause::{
5. self,
6. Trap,
7. Exception,
8. Interrupt
9. },
10. sepc,
11. stvec,
12. sscratch,
13. sstatus
14. };
15. use crate::timer::{
16. TICKS,
17. clock_set_next_event
18. };

20. #[no_mangle]
21. pub fn rust_trap(tf: &mut TrapFrame) {
22. // 根据中断原因分类讨论
23. match tf.scause.cause() {
24. // 断点中断
25. Trap::Exception(Exception::Breakpoint) => breakpoint(&mut tf.sepc),
26. // S态时钟中断
27. Trap::Interrupt(Interrupt::SupervisorTimer) => super_timer(),
28. _ => panic!("undefined trap!")
29. }
30. }

32. // 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
33. fn breakpoint(sepc: &mut usize) {
34. println!("a breakpoint set @0x{:x}", sepc);
35. *sepc += 2;
36. }

38. // S态时钟中断处理
39. fn super_timer() {
40. // 设置下一次时钟中断触发时间
41. clock_set_next_event();
42. unsafe {
43. // 更新时钟中断触发计数
44. // 注意由于 TICKS 是 static mut 的
45. // 后面会提到，多个线程都能访问这个变量
46. // 如果同时进行 +1 操作，会造成计数错误或更多严重bug
47. // 因此这是 unsafe 的，不过目前先不用管这个
48. TICKS += 1;
49. // 每触发 100 次时钟中断将计数清零并输出
50. if (TICKS == 100) {
51. TICKS = 0;
52. println!("* 100 ticks *");
53. }
54. }
55. // 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
56. }

同时修改主函数 rust_main ：

1. // src/init.rs

3. #[no_mangle]
4. pub extern "C" fn rust_main() -> ! {
5. crate::interrupt::init();
6. // 时钟初始化
7. crate::timer::init();
8. unsafe {
9. asm!("ebreak"::::"volatile");
10. }
11. panic!("end of rust_main");
12. loop {}
13. }

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：

1. // src/lang_items.rs

3. #[panic_handler]
4. fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {
5. println!("{}", info);
6. loop {}
7. }

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：

breakpoint & timer interrupt handling

1. ++++ setup interrupt! ++++ 2. ++++ setup timer! ++++ 3. a breakpoint set @0x8020002c 4. panicked at 'end of rust_main', src/init.rs:11:5 5. * 100 ticks * 6. * 100 ticks * 7. ...

如果出现问题的话，可以在这里找到目前的代码。