Lab 04: 1~4 核 SMP 多核启动、自旋锁与核间 IPI 协同¶

1. 实验目标¶

掌握多核对称多处理（SMP）架构在 RISC-V 上的引导拉起流程（SBI HSM 协议）。
理解多核自旋锁（Spinlock）的硬件原子指令实现与中断保护嵌套计数（noff）。
掌握核间中断（IPI, Inter-Processor Interrupt）在跨核唤醒阻塞任务中的实际应用。

2. 引导核（Boot Hart）与从核（Secondary Harts）启动序列¶

在多核 SMP 系统中，上电时刻只有 0 号主核（Boot Hart）在全功能执行初始化代码，其余从核必须处于挂起等待状态，由主核在基础设施就绪后显式唤醒：

sequenceDiagram
    autonumber
    participant Hart0 as Boot Hart (Core 0)
    participant SBI as OpenSBI HSM 模块
    participant HartN as Secondary Hart (Core 1~3)
    participant Sched as 各核独立调度器 (scheduler)

    Note over Hart0: 启动完成内存分页、PLIC 中断控制器、进程池初始化
    loop 遍历目标核心 (hartid = 1 到 CPU_COUNT - 1)
        Hart0->>SBI: 调用 sbi_hart_start(hartid, secondary_boot, arg)
        SBI->>HartN: 释放从核硬件复位，跳转至 secondary_boot 入口
    end
    Note over HartN: 从核设置各自的 satp 页表、stvec 异常向量与时钟定时器
    HartN->>HartN: 标记 cpus[hartid].online = true
    Hart0->>Sched: Hart 0 进入各自独立的调度循环
    HartN->>Sched: Hart 1~3 进入各自独立的调度循环

3. 自旋锁与关中断嵌套保护¶

在 SMP 架构中，单纯“关本地中断”无法阻挡另一个 CPU 核心并发修改同一片共享内存；单纯“自旋锁”如果被本地中断打断并尝试重入同一把锁，会导致单核自锁死机。

因此，获取自旋锁必须同时关闭当前核心的本地中断，并严密维护嵌套深度计数（noff）：

struct spinlock {
    volatile uint32_t locked;
};

void acquire(struct spinlock *lk) {
    push_off(); // 关本地中断，并使当前 CPU 的 noff 计数递增

    // 基于硬件原子指令 __sync_lock_test_and_set (RISC-V amoswap) 忙等待
    while (__sync_lock_test_and_set(&lk->locked, 1) != 0) {
        __asm__ __volatile__("pause"); // 降低 CPU 流水线功耗
    }
    __sync_synchronize(); // 内存屏障: 确保后续读写绝不重排到锁之前
}

void release(struct spinlock *lk) {
    __sync_synchronize(); // 内存屏障
    __sync_lock_release(&lk->locked); // 清零释放锁
    pop_off(); // 递减 noff 计数，若归零则恢复之前的本地中断状态
}

4. 核间中断（IPI）跨核唤醒¶

当运行在 Core 0 上的写进程通过管道写入数据并调用 wakeup(&chan) 唤醒了原本绑定在 Core 1（或正在 Core 1 上休眠）的进程时，Core 1 可能正处于低功耗等待状态：

flowchart LR
    C0["Core 0: 唤醒处于阻塞态的进程"] --> Update["将其置为 PROC_RUNNABLE"]
    Update --> Check{"目标核心处于运行空闲态?"}
    Check -->|"是"| SendIPI["调用 sbi_send_ipi(1 << target_hart)"]
    SendIPI --> HW_IPI["硬件触发 Core 1 的 IRQ_S_SOFTWARE 中断!"]
    HW_IPI --> C1["Core 1: 立即跳出休眠，切入调度器执行新就绪进程!"]

5. 动手实操与实验验收¶

启动 4 核 SMP 虚拟机：
```
NCPU=4 bash run.sh
```
查看多核启动状态：在 Shell 输入：
```
$ irqstat
```
终端将列出当前系统所有 4 个核心（Hart 0, Hart 1, Hart 2, Hart 3）各自独立的运行状态、定时器 Tick 计数与调度总次数：
```
CPU 0: ticks=145, schedules=89
CPU 1: ticks=145, schedules=72
CPU 2: ticks=145, schedules=68
CPU 3: ticks=145, schedules=75
```
执行自动化回归测试：
```
python3 scripts/smoke.py --cpus 4
```
脚本将全自动验证 4 核并发下的自测、管道吞吐与核间调度。