opensbi下的riscv64裸機(jī)編程2(中斷與異常)

1.本文說(shuō)明

2.riscv特權(quán)模式下的異常

2.1 CSPs

2.2 異常開關(guān)的寄存器

2.3 與中斷相關(guān)的指令

3.中斷測(cè)試

3.1 設(shè)置中斷向量表

3.2 開啟中斷設(shè)置

3.3 初始化timer

3.4 開啟中斷

3.5 中斷處理

4.測(cè)試及校驗(yàn)

5.總結(jié)

1.本文說(shuō)明

任何時(shí)候，中斷和異常的產(chǎn)生都是十分值得關(guān)注的，這些將破壞程序原有的執(zhí)行邏輯。按照芯片的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，中斷和異常大致上可以分為三類異常(Exception)、陷入(Trap)、外部中斷(Interrupt)。

異常(Exception)

在一條指令執(zhí)行的過程中發(fā)生了錯(cuò)誤，可以通過異常處理函數(shù)進(jìn)行處理，最常見的異常包括無(wú)效的內(nèi)存地址訪問、非法指令異常、缺頁(yè)異常等等。當(dāng)發(fā)生這些異常后可以進(jìn)行處理。

陷入(Trap)

主動(dòng)的讓其進(jìn)入異常處理函數(shù)，常見的是系統(tǒng)調(diào)用syscall。而在riscv上為ecall或者進(jìn)入斷點(diǎn)的ebreak。

外部中斷(Interrupt)

一般由外部事件觸發(fā)，比如定時(shí)器中斷、GPIO中斷等。這些異常是不可預(yù)知的。

對(duì)于一般的中斷處理流程，進(jìn)入中斷后需要進(jìn)行上下文的保存與恢復(fù)。

2.riscv特權(quán)模式下的異常

涉及到中斷和異常，RISCV的特權(quán)模式是不能繞開的。在RISCV中，無(wú)論在任何模式發(fā)生的異常，硬件線程都會(huì)將控制權(quán)交給M-Mode的異常處理程序。然而對(duì)于類Unix的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，異常都是由操作系統(tǒng)來(lái)處理。而操著系統(tǒng)運(yùn)行的模式是S-Mode，所以RISCV也可以選擇將異常重新導(dǎo)向到S-Mode，也支持異常委托機(jī)制(Machine Interrupt Delegaintion)將異常直接通過S-Mode進(jìn)行處理，這樣可以大大的增加操作系統(tǒng)的靈活性。

一般來(lái)說(shuō)M-Mode是必須實(shí)現(xiàn)的，S-Mode也一般會(huì)有，而U-Mode是選擇性擴(kuò)展的。目前的RISCV芯片中例如蜂鳥的E203與K210都只支持了RISCV架構(gòu)中的Machine Mode。

2.1 CSPs

實(shí)際上RISCV在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指令集的時(shí)候，是支持多種模式的擴(kuò)展的，這一系列的指令集通過Control and Status Registers (CSRs)來(lái)進(jìn)行控制。

CSR地址是擴(kuò)展了12位，也就是可以設(shè)計(jì)最大4096個(gè)指令。

通過下面的網(wǎng)站可以看到當(dāng)前CSRs的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)。

http://www.five-embeddev.com/quickref/csrs.html

這里只針對(duì)S-Mode下的異常處理進(jìn)行分析，M-Mode下的異常處理類似。

Supervisor Exception Program Counter (sepc)

當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，存放需要跳轉(zhuǎn)的PC值。這里需要利用stvec提供中斷向量表的基地址。

該寄存器的值是在32位下是4字節(jié)對(duì)齊的。

Supervisor Cause Register (scause)

該寄存器表示中斷發(fā)生的原因。下面的表格中表述了中斷的發(fā)生原因：

Supervisor Trap Value (stval) Register

由于scause不足以表示異常發(fā)生的所有信息，比如發(fā)生了缺頁(yè)異常，就會(huì)將stavl設(shè)置成需要訪問但是不在內(nèi)存中的地址。以便于操作系統(tǒng)將這個(gè)地址加載進(jìn)來(lái)。

Supervisor Trap Vector Base Address Register (stvec)

設(shè)置中斷處理的基地址，同時(shí)設(shè)置模式

對(duì)于基地址的模式有如下兩種：

Direct：顧名思義，當(dāng)異常發(fā)生的時(shí)候，每次都會(huì)跳轉(zhuǎn)到這個(gè)地址，然后通過這個(gè)地址的中斷處理程序去判斷哪種中斷。

Vectored：在這種模式下，會(huì)跳轉(zhuǎn)到BASE + 4 * cause 進(jìn)行處理流程。每種異常的cause都不一樣。

Supervisor Status Register (sstatus)

控制中斷的狀態(tài)等等，也可以控制全局中斷的時(shí)能等等。

SIE域表示全局中斷使能。當(dāng)該MIE域值為1時(shí)，表示所有中斷的全局開關(guān)打開，當(dāng)MIE域的值為0時(shí)候，表示全局關(guān)閉所有中斷。

SPIE用于保存進(jìn)入異常之前MIE域的值。

2.2 異常開關(guān)的寄存器

對(duì)于S-Mode中斷的Enable與Pending，還需要關(guān)注兩個(gè)寄存器。sie與sip。

Supervisor Interrupt Enable(sie)

Supervisor Interrupt Pending(sip)

可以看到有三種類型的中斷，由芯片廠家進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)。

Supervisor software interrupt

Supervisor timer interrupt

Supervisor external interrupt

2.3 與中斷相關(guān)的指令

CSR Read Write(csrrw)

csrrw dst, csr, src:將指定的CSR寄存器寫入dst，同時(shí)將src的值寫入CSR。

CSR Read(csrr)

csrr dst,csr:讀一個(gè)CSR寄存器到dst。

CSR Clear(csrc)

csrc(i) csr, rs1:將指定的位清零。

CSR Set(csrs)

csrs(i) csr, rs1:將指定的位置一。

3.中斷測(cè)試

由于在qemu上，中斷的產(chǎn)生可以通過定時(shí)器來(lái)發(fā)生，所以需要理解riscv上對(duì)timer的使用。timer又需要通過sbi的接口進(jìn)行訪問。

相關(guān)的代碼文件可以參考：

https://github.com/bigmagic123/riscv64_opensbi_baremetal/tree/master/03_interrupt

已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了timer中斷的產(chǎn)生過程。

3.1 設(shè)置中斷向量表

本程序需要設(shè)置中斷向量表，前面提到過，中斷向量的跳轉(zhuǎn)有兩種模式：Direct與Vectored。Direct可以直接轉(zhuǎn)到固定的pc地址，然后由統(tǒng)一的入口進(jìn)行處理，這種比較容易實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)置為這種模式。

.globaltable_val_set table_val_set: lat0,trap_entry csrwstvec,t0 jrra

直接將trap_entry函數(shù)的入口寫到stvec的寄存器中。由于函數(shù)地址4字節(jié)對(duì)其，所以設(shè)置后模式為Direct。

3.2 開啟中斷設(shè)置

要開啟時(shí)鐘中斷，這樣才能產(chǎn)生時(shí)鐘，而根據(jù)手冊(cè)，開啟時(shí)鐘中斷實(shí)際上是設(shè)置Supervisor Interrupt Enable(sie)，也就是設(shè)置SIE的寄存器開啟。

所以只需要設(shè)置即可。

voidenable_timer_interrupt(void) { w_sie(r_sie()|SIE_STIE); }

3.3 初始化timer

對(duì)于timer的填充，其實(shí)就是設(shè)置中斷的值。當(dāng)timer達(dá)到設(shè)定的值后會(huì)產(chǎn)生中斷。

voidset_timer(uint64stime_value) { SBI_TIMER(stime_value); } //getcurrenttime uint64get_cycle() { returnr_time(); } voidclock_set_next_event() { set_timer(get_cycle()+TIMEBASE); }

函數(shù)填充了下一個(gè)tick的值。

3.4 開啟中斷

中斷的開啟通過sstatus全局的狀態(tài)寄存器設(shè)置。

通過設(shè)置SIE位就可以達(dá)到使能或者關(guān)閉中斷的作用。

voidinterrupt_enable(void) { w_sstatus(r_sstatus()|SSTATUS_SIE); }

3.5 中斷處理

中斷處理需要保存當(dāng)前的上下文寄存器（寄存器壓棧操作），然后跳轉(zhuǎn)到中斷處理函數(shù)去處理具體的中斷。當(dāng)處理完成之后返回現(xiàn)場(chǎng)（寄存器出棧）。

這里先不做這么復(fù)雜的工作，中斷產(chǎn)生后直接跳轉(zhuǎn)到中斷處理函數(shù)中，只執(zhí)行一次。

.globaltrap_entry trap_entry: csrra0,scause csrrca1,stval,zero csrra2,sepc mva3,s0 /*scause,stval,sepc,sp*/ callhandle_trap

其中a0為第一個(gè)參數(shù)，保存中斷發(fā)生的原因。

a1是中斷發(fā)生的具體信息。

a2表示了中斷異常返回值。

然后進(jìn)入hande_trap。

uintptr_thandle_trap(uintptr_tscause,uintptr_tstval,uintptr_tsepc,uintptr_tsp) { tfp_printf("handle_trap%08lx:%08lx:%08lx:%08lx ",scause,stval,sepc,sp); while(1); return0; }

4.測(cè)試及校驗(yàn)

因?yàn)楣こ涛募脑黾?，所以使用了Makefile進(jìn)行工程的構(gòu)建工作。

%.o:%.c%.s $(CC)$(CFLAGS)-c$

Makefile的語(yǔ)法規(guī)則基本

TARGET…:DEPENDENCIES… COMMAND

這里也不過多的涉及了。

輸入make后，在fw_bin目錄下執(zhí)行run.sh腳本即可。

最后可以看到中斷的原因

最高位是8，相應(yīng)的中斷描述為Supervisor timer interrupt。

5.總結(jié)

riscv的異常和中斷的處理模式在M-Mode或者S-Mode下都可以設(shè)計(jì)，具體要看芯片的設(shè)計(jì)方式，如果設(shè)計(jì)在M-Mode，對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以通過轉(zhuǎn)發(fā)或者代理給S-Mode的操作系統(tǒng)，如果S-Mode存在中斷處理，那么處于S-Mode的系統(tǒng)可以直接處理，這樣比較簡(jiǎn)潔。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：opensbi下的riscv64裸機(jī)編程2(中斷與異常)

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