第三章：时钟中断与任务调度

本章只解决两个核心问题：任务怎样在彼此无感的情况下交替执行，以及内核怎样借助时钟中断定期收回 CPU。

1. 本章的核心

任务切换：任务运行到一半时，内核保存它当前的执行现场，换成另一个任务的执行现场。以后再次切换回来时，原任务会从被暂停的位置继续执行，就像从未离开过 CPU。

时钟中断：如果只能等待任务主动交出 CPU，一个不主动让出的任务就会一直运行。时钟中断会周期性地打断当前任务，让内核重新获得控制权，并决定是否切换任务。

任务切换负责“怎样换”，时钟中断负责“何时获得换的机会”。

2. 核心思路

先看整体内存分布。内核、应用以及每个应用对应的内核栈和用户栈必须各有固定位置，任务切换才能保存一个任务的现场，再安全地恢复另一个任务。

内核从 0x8020_0000 开始，应用区域从 0x8040_0000 开始。每个应用槽位中仍然按照 ELF 的 .text、.rodata、.data、.bss 顺序放置各段。

内核本身也由这些段组成。它在 .bss 中为 n 个应用各预留一份内核栈和一份用户栈，使每个任务都使用独立的栈空间。

任务的执行现场由 TrapContext 和 TaskContext 共同保存。下图中，虚线表示结构放大，实线箭头表示字段中保存的地址。

每个任务的 TrapContext 放在其内核栈栈顶，用来保存用户态现场：x[2] 指向用户栈，sepc 指向触发 Trap 的指令。TaskContext 则集中存放在内核 .data 节的数组中，用来保存内核态现场：sp 指向任务暂停时的内核栈位置，初次运行时 ra 指向 __restore。

__switch 只切换 s0..s11、sp 和 ra。左右两个 CPU 框表示同一组寄存器在切换前后的两个快照。

它先把 CPU 寄存器保存到 TaskContext[i]，再从 TaskContext[j] 加载寄存器。加载完成后，CPU 的 sp 指向任务 j 的内核栈，ret 沿任务 j 的 ra 继续执行。

3. 时钟中断的硬件基础

3.1 时间计数器

time 是只读 CSR，表示平台时间：

• 所有 hart 共享同一时间轴。
• 频率由设备树 timebase-frequency 提供，不能写死。
• 持续递增，但 OS 启动时不一定从 0 开始。

3.2 定时器比较值

mtimecmp 是 M-mode 控制的比较器。当：

time >= mtimecmp

定时器到期。S-mode 通常不能直接写 mtimecmp，需要通过 SBI 设置下一次触发时间：

读取 time → 计算下一触发时间 → SBI set_timer

3.3 中断状态与单项开关

定时器到期后，S 级时钟中断进入 pending 状态：

sip.STIP = 1

sie 控制具体中断类型：

sie.STIE：S 级时钟中断
sie.SEIE：S 级外部中断
sie.SSIE：S 级软件中断

对于时钟中断：

STIE = 0：保持 pending，不进入 Trap
STIE = 1：满足特权级条件时进入 Trap

3.4 scause 中的时钟中断

S 级时钟中断的 interrupt code 为 5。scause 最高位为 1 表示中断，其余位保存编号：

RV64 scause = (1 << 63) | 5
             = 0x8000000000000005

Rust 中可以匹配为：

Trap::Interrupt(Interrupt::SupervisorTimer)

3.5 S-mode 全局开关

sstatus.SIE 是 S-mode 的全局中断开关，只影响中断，不影响异常。

当前在 U-mode：
STIE = 1 即可响应 S 级时钟中断
不受 SIE 阻挡

当前在 S-mode：
STIE = 1 且 SIE = 1
才能响应 S 级时钟中断

可以记为：

sie.STIE    = 时钟中断单项开关
sstatus.SIE = 当前处于 S-mode 时的总开关
当前特权级  = 决定 SIE 是否参与判断

3.6 Trap 时的中断状态保存

发生 Trap 时，硬件自动执行：

SPIE ← SIE
SIE  ← 0

执行 sret 时，硬件自动执行：

SIE  ← SPIE
SPIE ← 1

SPIE 用于保存 Trap 前的 SIE。

3.7 特权级关系

高特权级可以抢占低特权级
低特权级不能直接处理高特权级事件

中断可以通过硬件委托或固件转换交给较低特权级处理。例如 OpenSBI 管理 M-mode 定时器，并向 S-mode 提供时钟中断。