Trap 简介

控制流（Control Flow）和 Trap

  • 控制流（Control Flow） 从给处理器加电开始，直到你断电为止，程序计数器假设一个值的序列 $$a_0,a_1,\dotsb,a_{n-1}$$ 每个$a_k$都是指令的地址，每次从$a_{k}$到$a_{k+1}$的过渡称为控制转移，而这样的控制转移序列叫做处理器的控制流。
  • 异常控制流（Exceptional Control Flow, ECF） 系统也必须能够对系统状态的变化做出反应，这些系统状态不是被内部程序变量捕获的，而且也不一定要和程序的执行相关。比如，一个硬件定时器定期产生信号，这个事件必须得到处理。包到达网络适配器后，必须存放在内存中。程序向磁盘请求数据，然后休眠，直到被通知说数据已就绪。现代系统通过使控制流发生突变来对这些情况做出反应。我们把这些突变称为异常控制流。
    • exception
    • interrupt

RISC-V 把 ECF 统称为 Trap。

RISC-V Trap 处理中涉及的寄存器

寄存器全称用途说明
mtvecMachine Trap-Vector Base-Address它保存发生异常时处理器需要跳转到的地址。
mepcMachine Exception Program Counter当 trap 发生时，hart 会将发生 trap 所对应的指令的地址值（pc）保存在 mepc 中。
mcauseMachine Cause当 trap 发生时，hart 会设置该寄存器通知我们 trap 发生的原因。
mtvalMachine Trap Value它保存了 exception 发生时的附加信息：譬如访问地址出错时的地址信息、或者执行非法指令时的指令本身，对于其他异常，它的值为 0。
mstatusMachine Status用于跟踪和控制 hart 的当前操作状态（特别地，包括关闭和打开全局中断）。
mscratchMachine ScratchMachine 模式下专用寄存器，我们可以自己定义其用法，譬如用该寄存器保存当前在 hart 上运行的 task 的上下文（context）的地址。

mtvec（Machine Trap-Vector Base-Address）

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WARL: Write Any Values, Read Legal Values

  • BASE：trap 入口函数的基地址，必须保证四字节对齐；

  • MODE：进一步用于控制入口函数的地址配置方式：

    • Direct，所有异常和中断发生后，PC都跳转到BASE指定的地址处；

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      通常中断处理函数内部会有switch case条件语句，通过不同的中断采用不同的处理方式。

      reg_t trap_handler(reg_t epc, reg_t cause)
{
    reg_t return_pc = epc;
    reg_t cause_code = cause & 0xfff;

    if (cause & 0x80000000) {
        /* Asynchronous trap - interrupt */
        switch (cause_code) {
        case 3:
            uart_puts("software interruption!\n");
            break;
        case 7:
            uart_puts("timer interruption!\n");
            break;
        case 11:
            uart_puts("external interruption!\n");
            break;
        default:
            uart_puts("unknown async exception!\n");
            break;
        }
    } else {
        /* Synchronous trap - exception */
        printf("Sync exceptions!, code = %d\n", cause_code);
        panic("OOPS! What can I do!");
        //return_pc += 4;
    }

    return return_pc;
}

    • Vectored，异常的处理方式同上，但是中断的入口地址以数组方式排列；

      trap_vector:
    # save context(registers).
    csrrw t6, mscratch, t6 # swap t6 and mscratch
    reg_save t6

    # Save the actual t6 register, which we swapped into
    # mscratch
    mv t5, t6  # t5 points to the context of current task
    csrr t6, mscratch # read t6 back from mscratch
    sw t6, 120(t5) # save t6 with t5 as base

    # Restore the context pointer into mscratch
    csrw mscratch, t5

    # call the C trap handler in trap.c
    csrr a0, mepc
    csrr a1, mcause
    call trap_handler

    # trap_handler will return the return address via a0.
    csrw mepc, a0

    # restore context(registers).
    csrr t6, mscratch
    reg_restore t6

    # return to whatever we were doing before trap.
    mret

      MODE可取值如下：

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采用Vectored方式效率更高。

mepc（Machine Exception Program Counter）

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当trap发生时，pc会被替换为 mtvec设定的地址，同时hart 会设置mepc为当前指令或者下一条指令的地址（处理异常时，mepc 为当前指令的地址，处理中断时，mepc 为下一条指令的地址）。

当我们需要退出trap 时可以调用特殊的 mret 指令，该指令会将mepc中的值恢复到pc中（实现返回的效果）；

在处理 trap 的程序中我们可以修改 mepc 的值达到改变mret 返回地址的目的。

mcause（Machine Cause）

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当 trap 发生时，hart 会设置该寄存器通知我们 trap 发生的原因。

最高位 Interrupt 为 1 时标识了当前 trap 为interrupt，否则是exception。

剩余的 Exception Code 用于标识具体的interrupt或者exception 的种类。

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mtval（Machine Trap Value）

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当 trap 发生时，除了通过mcause 可以获取exception的种类 code 值外，hart 还提供了 mtval 来提供exception 的其他信息来辅助我们执行更进一步的操作。

具体的辅助信息由特定的硬件实现定义，RISC-V 规范没有定义具体的值。但规范定义了一些行为，譬如访问地址出错时的地址信息、或者执行非法指令时的指令本身等。

mstatus（Machine Status）

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寄存器各个位可以大致分为以下三类，其中x可以为U,S,M。表示用户模式以及两种特权模式。

  • xIE（x=M/S/U）: 分别用于打开（1）或者关闭（0）M/S/U 模式下的全局中断。当 trap 发生时，hart会自动将 xIE 设置为 0。

  • xPIE（x=M/S/U）:当 trap 发生时用于保存 trap 发生之前的 xIE 值。

  • xPP（x=M/S）:当 trap 发生时用于保存 trap 发生之前的权限级别值。注意没有 UPP。因为异常只会从低权限向高权限跳转，通常低权限如user模式，会被置于上方，高权限如内核一般都会画在下方，这也解释了异常，中断处理为什么叫trap，因为是向下陷入的过程。

  • 其他标志位涉及内存访问权限、虚拟内存控制等，暂不考虑。

Trap 处理流程

主要为 Exception，下一章详解 Interrupt。

初始化

将trap的基地址写入寄存器，

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Top Half

  1. 把 mstatus 的 MIE 值复制到 MPIE 中，清除 mstatus中的 MIE 标志位，效果是中断被禁止。
  2. 设置mepc，同时PC被设置为 mtvec。（需要注意的是，对于exception， mepc指向导致异常的指令；对于 interrupt，它指向被中断的指令的下一条指令的位置。）
  3. 根据 trap 的种类设置 mcause，并根据需要为mtval设置附加信息。
  4. 将 trap 发生之前的权限模式保存在 mstatus 的 MPP 域中，再把hart 权限模式更改为 M（也就是说无论在任何 Level 下触发trap，hart 首先切换到 Machine 模式）。

Bottom Half

  1. 保存（save）当前控制流的上下文信息（利用 mscratch）；
  2. 调用 C 语言的 trap handler;
  3. 从 trap handler 函数返回，mepc的值有可能需要调整；
  4. 恢复（restore）上下文的信息；
  5. 执行MRET指令返回到 trap之前的状态。
trap_vector:
 # save context(registers).
 csrrw t6, mscratch, t6 # swap t6 and mscratch
 reg_save t6

 # Save the actual t6 register, which we swapped into
 # mscratch
 mv t5, t6  # t5 points to the context of current task
 csrr t6, mscratch # read t6 back from mscratch
 sw t6, 120(t5) # save t6 with t5 as base

 # Restore the context pointer into mscratch
 csrw mscratch, t5

 # call the C trap handler in trap.c
 csrr a0, mepc
 csrr a1, mcause
 call trap_handler

 # trap_handler will return the return address via a0.
 csrw mepc, a0

 # restore context(registers).
 csrr t6, mscratch
 reg_restore t6

 # return to whatever we were doing before trap.
 mret

退出 trap：编程调用 MRET 指令

针对不同权限级别下如何退出 trap 有各自的返回指令xRET（x = M/S/U）。以在 M 模式下执行mret 指令为例，会执行如下操作：

  • 当前 Hart 的权限级别 = mstatus.MPP；mstatus.MPP = U（如果 hart 不支持 U 则为 M）
  • mstatus.MIE = mstatus.MPIE; mstatus.MPIE = 1
  • pc = mepc

中断

中断分类

  • 本地（Local）中断

    • 软中断software interrupt
    • 定时器中断 timer interrupt

  • 全局（Global）中断

    • 外部中断 externel interrupt

RISC-V 中断编程中涉及的寄存器

寄存器全称用途说明
mieMachine Interrupt Enable用于进一步控制（打开和关闭）software interrupt/timer interrupt/external interrupt
mipMachine Interrupt Pending它列出目前已发生等待处理的中断。

mie(Machine Interrupt Enable)

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打开（1）或者关闭（0）M/S/U 模式下对应的 External/Timer/Software 中断。

mip(Machine Interrupt Pending)

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获取当前 M/S/U 模式下对应的 External/Timer/Software 中断是否发生。

中断处理流程

中断处理

  1. 把 mstatus 的 MIE 值复制到 MPIE 中，清除 mstatus 中的 MIE 标志位，效果是中断被禁止。
  2. 当前的 PC 的下一条指令地址被复制到 mepc 中，同时 PC 被设置为mtvec。注意如果我们设置 mtvec.MODE = vetcored，PC =mtvec.BASE + 4 × exception-code。
  3. 根据 interrupt 的种类设置 mcause，并根据需要为 mtval 设置附加信息。
  4. 将 trap 发生之前的权限模式保存在 mstatus 的 MPP 域中，再把hart 权限模式更改为 M。

退出中断

以在 M 模式下执行 mret 指令为例，会执行如下操作：

  • 当前 Hart 的权限级别 = mstatus.MPP; mstatus.MPP= U（如果 hart 不支持 U 则为 M）
  • mstatus.MIE = mstatus.MPIE; mstatus.MPIE = 1
  • pc = mepc

PLIC（Platform-Level Interrupt Controller）

PLIC 简介

HART 只能处理一个中断，PLIC 相当于一个控制中心，它通过中断类型，优先级等等来选出一个需要处理的中断。协调多个中断，服务一个 HART。

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enum {
    UART0_IRQ = 10, //Interrupt Source ID
    RTC_IRQ = 11,
    VIRTIO_IRQ = 1, /* 1 to 8 */
    VIRTIO_COUNT = 8, 
    PCIE_IRQ = 0x20, /* 32 to 35 */
    VIRTIO_NDEV = 0x35 /* Arbitrary maximum number of interrupts */
};
  • Interrupt Source ID 范围：1 ~ 53（0x35）
  • 0 预留不用

PLIC本身也是一个外设，RISC-V 规范规定，PLIC 的寄存器编址采用内存映射（memory map）方式。每个寄存器的宽度为 32-bit。

具体寄存器编址采用 base + offset 的格式，且 base 由各个特定platform 自己定义。针对 QEMU-virt，其 PLIC 的设计参考了FU540-C000，base 为 0x0c000000。

static const MemMapEntry virt_memmap[] = {
    [VIRT_DEBUG] =       {        0x0,         0x100 },
    [VIRT_MROM] =        {     0x1000,        0xf000 },
    [VIRT_TEST] =        {   0x100000,        0x1000 },
    [VIRT_RTC] =         {   0x101000,        0x1000 },
    [VIRT_CLINT] =       {  0x2000000,       0x10000 },
    [VIRT_ACLINT_SSWI] = {  0x2F00000,        0x4000 },
    [VIRT_PCIE_PIO] =    {  0x3000000,       0x10000 },
    [VIRT_PLIC] =        {  0xc000000, VIRT_PLIC_SIZE(VIRT_CPUS_MAX * 2) },
    [VIRT_UART0] =       { 0x10000000,         0x100 },
    [VIRT_VIRTIO] =      { 0x10001000,        0x1000 },
    [VIRT_FW_CFG] =      { 0x10100000,          0x18 },
    [VIRT_FLASH] =       { 0x20000000,     0x4000000 },
    [VIRT_PCIE_ECAM] =   { 0x30000000,    0x10000000 },
    [VIRT_PCIE_MMIO] =   { 0x40000000,    0x40000000 },
    [VIRT_DRAM] =        { 0x80000000,           0x0 },
};

PLIC 编程接口 - 寄存器

Priority

功能：设置某一路中断源的优先级 内存映射地址：BASE + (interrupt-id) * 4

  • 每个 PLIC 中断源对应一个寄存器，用于配置该中断源的优先级。
  • QEMU-virt 支持 7 个优先级。0 表示对该中断源禁用中断。其余优先级，1 最低，7 最高。
  • 如果两个中断源优先级相同，则根据中断源的 ID 值进一步区分优先级，ID 值越小的优先级越高。

Pending

功能：用于指示某一路中断源是否发生 内存映射地址：BASE + 0x1000 + ((interrupt-id) / 32) * 4

  • 每个 PLIC 包含 2 个 32 位的 Pending 寄存器，因为总共有 54 个中断源，每一个 bit 对应一个中断源，如果为 1 表示该中断源上发生了中断（进入Pending 状态），有待 hart 处理，否则表示该中断源上当前无中断发生。
  • Pending 寄存器中断的 Pending 状态可以通过claim 方式清除。
  • 第一个 Pending 寄存器的第 0 位对应不存在的 0 号中断源，其值永远为 0。

Enable

功能：针对某个 hart 开启或者关闭某一路中断源 内存映射地址：BASE + 0x2000 + (hart) * 0x80

  • 每个 Hart 有 2 个 Enable 寄存器（Enable1 和 Enable2）用于针对该Hart 启动或者关闭某路中断源。
  • 每个中断源对应 Enable 寄存器的一个 bit，其中Enable1 负责控制 1 ~ 31 号中断源；Enable2 负责控制 32 ~ 53 号中断源。将对应的 bit 位设置为 1 表示使能该中断源，否则表示关闭该中断源。

Threshold

功能：针对某个 hart 设置中断源优先级的阈值 内存映射地址：BASE + 0x200000 + (hart) * 0x1000

  • 每个 Hart 有 1 个 Threshold 寄存器用于设置中断优先级的阈值。
  • 所有小于或者等于（<=）该阈值的中断源即使发生了也会被 PLIC 丢弃。特别地，当阈值为 0 时允许所有中断源上发生的中断；当阈值为 7 时丢弃所有中断源上发生的中断。

Claim/Complete

功能：如下 内存映射地址：BASE + 0x200004 + (hart) * 0x1000

  • Claim 和 Complete 是同一个寄存器，每个 Hart 一个。
  • 对该寄存器执行读操作称之为 Claim，即获取当前发生的最高优先级的中断源ID。Claim 成功后会清除对应的 Pending 位。
  • 对该寄存器执行写操作称之为 Complete。所谓 Complete指的是通知PLIC 对该路中断的处理已经结束。
void external_interrupt_handler()
{
 int irq = plic_claim(); //

 if (irq == UART0_IRQ){
        uart_isr();
 } else if (irq) {
  printf("unexpected interrupt irq = %d\n", irq);
 }
 
 if (irq) {
  plic_complete(irq); //
 }
}

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CLINT （Core Local INTerruptor）

定时器中断，属于本地中断的一种，由芯片内部CLINT设备产生的中断。

  • RISC-V 规范规定，CLINT 的寄存器编址采用内存映射（memory map）方式。
  • 具体寄存器编址采用base + offset的格式，且 base 由各个特定 platform 自己定义。针对 QEMU-virt，其 CLINT 的设计参考了 SFIVE，base 为 0x2000000。

CLINT 编程接口 - 寄存器 (Timer 部分)

mtime

功能：real-time 计数器（counter） 内存映射地址：BASE + 0xbff8

  • 由晶振产生，系统全局唯一，在 RV32 和 RV64 上都是 64-bit。系统必须保证该计数器的值始终按照一个固定的频率递增。
  • 上电复位时，硬件负责将 mtime 的值恢复为 0。

mtimecmp

功能：定时器比较寄存器 内存映射地址：BASE + 0x4000 + (hart) * 8)

  • 每个 hart 一个 mtimecmp 寄存器，64-bit。

  • 上电复位时，系统不负责设置 mt`imecmp 的初值。

  • 当mtime >= mtimecmp 时，CLINT 会产生一个 timer 中断。如果要使能该中断需要保证全局中断打开并且mie.MTIE 标志位置 1。

  • 当 timer 中断发生时，hart 会设置 mip.MTIP，程序可以在 mtimecmp 中写入新的值清除mip.MTIP。

时钟节拍 tick

  • 操作系统中最小的时间单位；
  • Tick 的单位（周期）由硬件定时器的周期决定 （通常为 1 ~ 100ms）；
  • Tick 周期越小，也就是1s内产生的中断越多，系统的精度越高，但开销越大。