协作式和抢占式

时间：2024-05-02

批处理系统的特性是：在内存中同一时间最多只需驻留一个应用。 只有当一个应用出错或退出之后，批处理系统才会去将另一个应用加载到相同的一块内存区域。

为了提高 CPU 的利用率，操作系统演进成加载多个应用，并发运行这些应用。有两种方式执行这些应用：

  • 协作式：让当前执行的应用主动放弃 CPU 的控制权，其他处理器才能执行其他应用
    • 缺点：程序无法做到在合适位置放置放弃处理器的系统调用请求，整体利用率仍然无法提高
  • 抢占式：利用硬件的中断机制，系统强制中断应用，应用被动放弃 CPU 的控制权，让多个程序交替执行。（重点）

协作式对降低延迟有益（比如减少等待其他程序让出 CPU 控制权），而抢占式对提高吞吐量有益（比如有利于提高单位时间内执行的指令数量）。

分时共享（Time Sharing）或抢占式多任务 (Multitasking) 或分时多任务： 在一个包含多个时间片的时间段上，会有属于不同程序的多个任务片在轮流占用处理器执行。

  • 时间片 (time slice)：一个程序运行的一段时间
  • 任务 (task)：一个程序的一次完整执行过程
  • 任务片 (task slice)：一个程序在一个时间片上占用处理器执行的过程

以固定时长为时间间隔的外设中断（比如时钟中断）来强制打断一个程序的执行。 这样一个程序只能运行一段时间（可以简称为一个时间片, Time Slice）就一定会让出处理器，且操作系统可以在处理外设的 I/O 响应后，让不同应用程序分时占用处理器执行，并可通过统计程序占用处理器的总执行时间，来评估运行的程序对处理器资源的消耗。 这需要两个要素：及时响应和快速执行。具体为：

  • 硬件提供中断机制：在必要的时候（用户敲键盘或时间片到了），硬件能通过中断打断当前执行的应用程序，把控制权交给操作系统， 让操作系统切换到需要及时响应用户需求的应用程序
  • 计算机要有足够大的主存，这样应用程序都能放到主存中，这是实现快速保存/恢复程序执行状态并能快速持续执行程序的重要条件之一

中断

中断具有三种类型（软件、时钟、外部设备），并在 M/S 两种权级中出现。中断是异步的，与当前执行的指令无关。

中断屏蔽 (Interrupt Masking)：指 CPU 将忽略所有非强制的中断请求（即不响应非强制性的中断请求），继续执行当前的程序代码。

判断屏蔽中断：

  • 如果中断的特权级低于 CPU 当前的特权级，则该中断会被屏蔽，不会被处理（即程序继续执行）；
  • 如果中断的特权级高于与 CPU 当前的特权级或相同，则需要通过相应的 CSR 判断该中断是否会被屏蔽。对于 S 模式：
    • sstatus.SIE 中断使能，为 1 则能够同时控制三种中断（与 sie CSR 结合），为 0 则将它们全部屏蔽
    • sie CSR：当 sstatus.SIE 为 1，还要根据这个 CSR 的 ssie/stie/seie 字段的值才能真正控制响应还是屏蔽中断请求
  • 对于非强制性中断请求，即使在上述满足中断被屏蔽的情况下，CPU 也必须立即响应中断，暂停当前执行的指令。这些请求包括：
    • 非屏蔽中断（Non-maskable Interrupt, NMI）：严重的硬件故障或系统级错
    • 机器检查中断（Machine Check Interrupt）：由硬件异常条件触发的中断，如内存奇偶校验错误、总线错误或处理器内部错误
    • 调试中断：如断点，可能会被视为强制性的，特别是当用于调试目的时
    • 实时时钟中断：这通常不是强制性的，但某些实时操作系统中会被它赋予高优先级，以确保时间关键的任务能够按时执行
    • 电源故障中断、虚拟化中断、安全异常

中断 i 陷入 S 模式的条件，必须为以下的一种情况

  • 当前处于 S 模式，且 sstatus.SIE 为 1，且 i 在 sip 和 sie CSR 中开启
  • 当前处于 U 模式，且 i 在 sip 和 sie CSR 中开启

其中 i 为 interrupt cause number（i 为第 1/5/9 位 bit，表示 软件/时钟/外设 中断）。对于 i，以下中断相关的寄存器都用到它：

  • scause 寄存器内的中断位 1，异常码位 i 为 1（异常码 x 其实就是第 x 位 bit 为 1）
  • sip 和 sie CSR 的第 i 位为 1
  • 例如 第 1 位为 1，则在 scause 中表示出现软件中断；sip 和 sie 的 第 5 和 9 位为 1，则表示 S 模式会响应时钟和外设中断请求

中断的状态：

  • 触发（Trigger）：当某个事件（如定时器溢出、外部信号等）发生时，它可能会触发一个中断。
  • 挂起（Pending）：一旦中断被触发，它就会处于挂起状态，等待CPU的注意。
  • 使能（Enable）：中断控制器中有一个或多个寄存器（如sie，Supervisor Interrupt Enable），用于确定哪些中断被使能。只有被使能的中断才能被处理。
  • 处理（Handling）：当中断被使能，并且处理器处于适当的条件（如适当的特权级别）时，它将响应中断，执行中断处理程序（中断和异常区别见 异常控制流）。
  • 清除（Clear）：中断处理程序通常会在服务完中断后清除挂起位，以表明中断已经被处理。
                        ┌─────────────────┐   ┌──────┐         
             (sip)      │(sstatus.SIE+sie)│   │(Trap)│    (sip)
 Trigger ──► Pending ──►│Enable           │──►│Handle│──► Clear
 (interrupt     │       │                 │   └──────┘         
  occurs)       └──────►│Disable          │(don't respond to interrupt)
                        └─────────────────┘

S 模式下的中断处理：

  • 当 trap 发生时，sstatus.sie 字段会被保存在 sstatus.spie 字段中，同时把 sstatus.sie 字段置零，这样软件在进行后续的中断处理过程中，所有 S 特权级的中断都会被屏蔽；
  • 当软件执行中断处理完毕后，会执行 sret 指令返回到被中断打断的地方继续执行，硬件会把 sstatus.sie 字段恢复为 sstatus.spie 字段内的值。
  • 如果不去手动设置 sstatus CSR ，在只考虑 S 特权级中断的情况下，在中断处理的过程中同特权级的中断都会被屏蔽，不会出现 嵌套中断。

嵌套中断 (Nested Interrupt)：指在处理一个中断的过程中再一次触发了中断。

  • 在处理一个中断的过程中，由于默认情况下，在软件开始响应中断前，硬件会自动禁用所有同特权级中断，自然也就不会再次触发中断导致嵌套中断了， 但高特权级中断则是不可避免的会再次发生。
  • 嵌套中断是嵌套 Trap 的一个特例。嵌套 Trap 则是指处理一个 Trap（可能是中断或异常）的过程中又再次发生 Trap。
    • 在内核开发时我们需要仔细权衡哪些嵌套 Trap 应当被允许存在，哪些嵌套 Trap 又应该被禁止，这会关系到内核的执行模型。