分时多任务概述

实验目标

本章在多道程序的基础上，我们将进一步实现分时多任务操作系统。

我们在上一章中已经成功实现了多道程序的交替执行，但这种协作式的调度方式存在着无法抢占、任务可能长期独占 CPU 的问题。在本章中，我们将引入时钟中断与时间片轮转调度算法，实现真正的分时多任务系统，保证系统的公平性与响应性。

本章的核心目标包括：

1. 支持多个用户程序同时驻留内存，以轮转方式调度执行；
2. 通过时钟中断实现抢占式调度，防止任意一个任务独占 CPU；
3. 提供 yield 系统调用，允许任务主动让出 CPU（协作式调度）；
4. 维护每个任务的任务控制块（TCB），记录任务状态与上下文。

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多道程序与分时多任务的对比

为了更好地理解本章的改进，我们将分时多任务系统与上一章实现的多道程序进行对比：

特性	多道程序（第二章）	分时多任务（第三章）
切换时机	任务主动 I/O 等待或退出	时钟中断强制切换
调度方式	协作式 (Cooperative)	协作式 + 抢占式 (Preemptive)
任务感知	任务不关心调度	任务可调用 yield 主动让出
公平性	差（任务可能饥饿）	好（基于时间片轮转）

第三章区别于第二章的关键在于分时（Time Sharing）。操作系统将 CPU 时间划分为若干个时间片（Time Slice），每个任务轮流获取一个时间片进行执行。当时间片用尽时，操作系统会强制剥夺当前任务的 CPU 使用权，切换到下一个就绪任务。

时间片的长度是调度算法的重要参数。在代码中，我们通过设置时钟中断的触发间隔来定义时间片：

// src/timer.rs
// Set the next timer interrupt
pub fn set_next_trigger() {
    set_timer(get_time() + CLOCK_FREQ / TICKS_PER_SEC);
}

为什么要分时间片？

如果操作系统按顺序执行任务，通过等待一个任务完全结束后再执行下一个，那么当某个任务（如加载网页或进行复杂计算）耗时较长时，其他任务（如音乐播放或文本输入）将无法得到响应。

时间片轮转机制使得 CPU 能够在多个任务之间快速切换。由于切换频率远高于人眼的感知频率，用户会感觉到所有任务都在“同时”运行，从而提高了系统的并发性和响应速度。

关于操作系统开发

上述代码展示了操作系统如何控制硬件时钟。操作系统本质上也是一个程序，但它负责管理硬件资源并为应用提供服务。

如果你对开发工业级或功能更完善的操作系统感兴趣，可以参考开源社区的优秀项目，例如 星绽 OS (Asterinas) 或 BlueOS。这些项目同样使用 Rust 编写，展示了更复杂的系统设计与规范。

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任务生命周期管理

在第三章中，我们需要更精细地管理任务的状态。我们在代码中引入了 TaskControlBlock（任务控制块，简称 TCB）结构体，作为任务在内核中的抽象表示。

// src/task/task.rs
pub struct TaskControlBlock {
    /// The task status in it's lifecycle
    pub task_status: TaskStatus,
    /// The task context
    pub task_cx: TaskContext,
}

TCB 将任务的所有相关信息集中管理，包括任务的运行状态（task_status）和任务上下文（task_cx）。

我们将任务的生命周期划分为以下四个阶段：

             init_app_cx()
  ┌─────────────────────────────┐
  │                             ▼
UnInit ────────────────────►  Ready
                              │   ▲
        run_first/next_task() │   │ mark_current_suspended()
                              ▼   │
                             Running
                                │
          mark_current_exited() │
                                ▼
                              Exited

任务状态说明

TaskStatus 枚举类型定义了任务可能处于的状态：

pub enum TaskStatus {
    UnInit,
    Ready,
    Running,
    Exited,
}

状态	含义
UnInit	未初始化。任务控制块已分配，但尚未完成初始化。
Ready	就绪态。任务已准备好运行，正在等待调度器分配 CPU。
Running	运行态。任务正在 CPU 上执行。
Exited	退出态。任务已执行完毕或出错退出，不再参与调度。

提示

理解任务在不同状态之间的流转逻辑（如上图所示）对于掌握调度器的工作原理至关重要。

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两种调度触发路径

在我们的分时操作系统中，有两种方式可以触发调度权的交接：协作式调度 和 抢占式调度。这两种机制都是通过操作系统中统一的 suspend_current_and_run_next 接口来实现上下文的切换。

协作式调度 - 主动让出

yield 系统调用，通知内核将自己挂起，主动让出 CPU 给下一个处于就绪状态的任务执行。

 ecall
  → trap_handler (UserEnvCall)
    → syscall(SYSCALL_YIELD)
      → sys_yield()
        → suspend_current_and_run_next()
          ├─ mark_current_suspended()   ← 核心挂起逻辑
          └─ run_next_task()

抢占式调度 - 时钟中断抢占

如果某个任务进入死循环或死锁且不主动让出 CPU，系统将面临停滞危险。因此在分时多任务中，操作系统依赖硬件时钟中断（Timer Interrupt）周期性地打断当前任务，强行夺回控制权。

通过设置固定长度的时间片，一旦定时倒计时结束，便会产生一次时钟中断触发 Trap，避免单个程序霸占系统。

时钟中断触发
  → trap_handler (SupervisorTimer)
    → set_next_trigger()              ← 重新设置下一次中断
    → suspend_current_and_run_next()
          ├─ mark_current_suspended()   ← 核心挂起逻辑
          └─ run_next_task()

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本章重点内容

重点内容如下：

1. 时钟中断的配置与接收：理解 RISC-V 中断的触发规律，掌握操作系统如何通过定时器夺回 CPU 掌控权。
2. 核心数据结构抽象 (TaskControlBlock)：理解任务控制块的数据形态与生命周期中的状态流转 (UnInit, Ready, Running, Exited)。
3. 上下文切换机制：解析 __switch 汇编如何保存运行态和栈指针，怎样从前一个任务平滑进入到下一个任务。
4. 系统核心调度器逻辑：学习基于时间的简单轮转调度策略 (find_next_task 和 run_next_task 的设计)。