中斷

U54內(nèi)核支持M模式和S模式中斷。默認(rèn)情況下，所有中斷都在M模式下處理。對(duì)于支持S模式的 hart，可以有選擇地將中斷委托給S模式。

U54中斷架構(gòu)如下：

U54內(nèi)核還支持兩種類型的 RISC-V 中斷：本地和全局。

本地中斷：U54內(nèi)核的本地中斷只有2種，軟件中斷和定時(shí)器中斷，這兩個(gè)中斷都由本地中斷器（CLINT）生成。本地中斷通過專用中斷異常代碼和固定優(yōu)先級(jí)直接發(fā)送給單個(gè) hart。因此，本地中斷沒有仲裁，也不需要額外的內(nèi)存訪問來確定中斷的原因。

全局中斷：通過平臺(tái)級(jí)中斷控制器 (PLIC) 路由，該控制器可以通過外部中斷將中斷定向到系統(tǒng)中的任何 hart。所有的外設(shè)都屬于全局中斷。

中斷優(yōu)先級(jí)

全局中斷的各個(gè)優(yōu)先級(jí)由 PLIC 確定。

U54內(nèi)核的優(yōu)先級(jí)如下，按優(yōu)先級(jí)降序排列：

• 機(jī)器外部中斷

• 機(jī)器軟件中斷

• 機(jī)器定時(shí)器中斷

• 主管外部中斷

• 主管軟件中斷

• 主管定時(shí)器中斷

異常

如果一個(gè) hart 在S模式下運(yùn)行并嘗試訪問一個(gè)僅M模式的控制和狀態(tài)寄存器 (CSR)，這會(huì)立即進(jìn)入異常處理程序并確定下一步行動(dòng)。mstatus 寄存器中的異常代碼將保持值 0x2，表明發(fā)生了非法指令異常。根據(jù)系統(tǒng)的要求，監(jiān)督模式應(yīng)用程序可能會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤和/或完全終止程序。

沒有特定的啟用位來允許發(fā)生異常，因?yàn)槟J(rèn)情況下它們總是啟用的。然而，在引導(dǎo)流程的早期，軟件應(yīng)該將 mtvec.BASE 設(shè)置為一個(gè)定義的值，其中包含默認(rèn)異常處理程序的基地址。所有異常都會(huì)捕獲 tomtvec.BASE。軟件必須讀取 mcause CSR 以確定異常的來源，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

在中斷處理程序中發(fā)生的同步異常將立即導(dǎo)致程序執(zhí)行中止中斷處理程序并進(jìn)入異常處理程序。中斷處理程序中的異常通常是軟件錯(cuò)誤的結(jié)果，通常應(yīng)該避免，因?yàn)?mepc 和 mcause CSR 將被原始中斷上下文中捕獲的值覆蓋。

RISC-V 定義的同步異常具有優(yōu)先級(jí)順序，當(dāng)單個(gè)指令同時(shí)發(fā)生多個(gè)異常時(shí)，可能需要考慮優(yōu)先級(jí)順序。下表描述了同步異常優(yōu)先級(jí)順序。

數(shù)據(jù)地址斷點(diǎn)（watchpoints）、指令地址斷點(diǎn)、環(huán)境斷點(diǎn)異常（EBREAK）都具有相同的異常碼（3），但優(yōu)先級(jí)不同，如上表所示。

指令地址未對(duì)齊異常 (0x0) 的優(yōu)先級(jí)低于其他指令地址異常，因?yàn)樗鼈兪悄繕?biāo)未對(duì)齊的控制流指令的結(jié)果，而不是取指的結(jié)果。

下面描述了一些用于調(diào)試異常和中斷的有用 CSR：

陷阱trap

術(shù)語陷阱描述了軟件應(yīng)用程序中的控制轉(zhuǎn)移，其中陷阱處理通常在更特權(quán)的環(huán)境中執(zhí)行。例如，一個(gè)特定的 hart 包含三種權(quán)限模式：機(jī)器、管理員和用戶。每種特權(quán)模式都有自己的軟件執(zhí)行環(huán)境，包括專用的堆棧區(qū)域。此外，每種特權(quán)模式都包含用于陷阱處理的單獨(dú)控制和狀態(tài)寄存器 (CSR)。在用戶模式下操作時(shí)，需要上下文切換來處理主管模式下的事件。軟件為上下文切換設(shè)置系統(tǒng)，然后執(zhí)行 ECALL 指令，將控制同步切換到 Environment call-from-User 模式異常處理程序。

復(fù)位后的默認(rèn)模式是機(jī)器模式。軟件以最高權(quán)限級(jí)別開始執(zhí)行，這允許在任何權(quán)限級(jí)別更改之前初始化所有 CSR 和系統(tǒng)資源。下面的步驟描述了將特權(quán)模式從機(jī)器模式更改為用戶模式所需的步驟，在特定設(shè)計(jì)上也包括管理員模式。

1. 應(yīng)首先通過將?mstatus.MIE?寫入 0（默認(rèn)復(fù)位值）來全局禁用中斷。

2. 將機(jī)器模式異常處理程序的基地址寫入?mtvec CSR。這是任何引導(dǎo)流程中的必需步驟。

3. 將?mstatus.MPP?寫入 0 以將之前的模式設(shè)置為 User，這允許我們返回到該模式。

4. 設(shè)置物理內(nèi)存保護(hù) (PMP) 區(qū)域以將所需區(qū)域授予用戶和主管模式，并可選擇從機(jī)器模式撤消權(quán)限。

5. 用主管模式異常處理程序的基地址寫入?stvec CSR。

6. 編寫?medeleg?寄存器，將異常委托給主管模式。考慮?ECALL?和頁面錯(cuò)誤異常。

7. 編寫?mstatus.FS?以啟用浮點(diǎn)（如果支持）。

8. 將機(jī)器模式用戶寄存器存儲(chǔ)到堆?；驊?yīng)用程序特定的幀指針。

9. 用用戶態(tài)軟件的入口點(diǎn)編寫mepc

10. 執(zhí)行mret指令進(jìn)入用戶模式。

Note：只有一組用戶寄存器 (x1 - x31) 用于所有權(quán)限級(jí)別，因此應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)在進(jìn)入和退出不同級(jí)別時(shí)保存和恢復(fù)狀態(tài)。

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本地中斷

軟件中斷（中斷 ID #3）：通過寫入特定 hart 的內(nèi)存映射中斷掛起寄存器 msip 來觸發(fā)。

定時(shí)器中斷：當(dāng)寄存器 mtime 大于或等于寄存器 mtimecmp 并且兩個(gè)寄存器都是 CLINT 內(nèi)存映射的一部分時(shí)，會(huì)觸發(fā)定時(shí)器中斷（中斷 ID #7）。mtime 和 mtimecmp 寄存器通常僅在機(jī)器模式下可用，除非 PMP 授予用戶或管理員模式訪問它們所在的內(nèi)存映射區(qū)域的權(quán)限。

全局中斷通常首先路由到 PLIC，然后使用外部中斷進(jìn)入 hart（中斷 ID #11）

中斷操作

在特權(quán)模式 m 內(nèi)，如果相關(guān)的全局中斷使能 {ie} 清零，則在該特權(quán)模式下不會(huì)產(chǎn)生任何中斷，但更高特權(quán)模式下的待決啟用中斷將搶占當(dāng)前執(zhí)行。如果設(shè)置了 {ie}，則在相同特權(quán)模式下處于更高中斷級(jí)別的掛起啟用中斷將搶占當(dāng)前執(zhí)行并運(yùn)行更高中斷級(jí)別的中斷處理程序。

當(dāng)發(fā)生中斷或同步異常時(shí)，會(huì)修改特權(quán)模式以反映新的特權(quán)模式。處理程序特權(quán)模式的全局中斷使能位被清除

中斷進(jìn)入和退出

當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)：

??mstatus.MIE?的值被復(fù)制到mcause.MPIE?中，然后mstatus.MIE?被清除，有效地禁用了中斷。

? 中斷前的特權(quán)模式在mstatus.MPP?中編碼。

? 當(dāng)前?pc?被復(fù)制到?mepc?寄存器中，然后將?pc?設(shè)置為?mtvec?指定的值

此時(shí)，控制權(quán)移交給中斷處理程序中的軟件，并禁用中斷。執(zhí)行?mret?指令時(shí)，會(huì)發(fā)生以下情況：

? 特權(quán)模式設(shè)置為在?mstatus.MPP?中編碼的值。

? 全局中斷使能?mstatus.MIE?設(shè)置為?mcause.MPIE?的值。

??pc?設(shè)置為mepc?的值。

此時(shí)，控制權(quán)交給軟件。

中斷控制和狀態(tài)寄存器

Machine Status Register (mstatus)

mstatus 寄存器跟蹤并控制 hart 的當(dāng)前操作狀態(tài)，包括是否啟用中斷。

通過設(shè)置 mstatus 中的 MIE 位來啟用中斷。在寫入 mstatus.MIE=1 之前，建議先在 mie 中開啟中斷。

Machine Trap Vector (mtvec)

mtvec 寄存器有兩個(gè)主要功能：定義陷阱向量的基地址，以及設(shè)置 U54內(nèi)核處理中斷的模式。對(duì)于 Direct 和 Vectored 模式，中斷處理模式在 mtvec 寄存器的 MODE 字段中定義。mtvec 寄存器在表 86 中描述，mtvec.MODE 字段在表 87 中描述。

Mode Direct

在直接模式下操作時(shí)，所有中斷和異常都會(huì)捕獲到 mtvec.BASE 地址。在陷阱處理程序內(nèi)部，軟件必須讀取 mcause 寄存器以確定觸發(fā)陷阱的原因。

在直接模式下操作時(shí)，BASE 必須是 4 字節(jié)對(duì)齊的。

Mode Vectored

在向量模式下運(yùn)行時(shí)，中斷將 pc 設(shè)置為 mtvec.BASE + 4 × 異常代碼（mcause.EXCCODE）。例如，如果發(fā)生機(jī)器定時(shí)器中斷，則將 pc 設(shè)置為 mtvec.BASE + 0x1C。通常，陷阱向量表填充有跳轉(zhuǎn)指令，以將控制轉(zhuǎn)移到特定于中斷的陷阱處理程序。

在向量中斷模式下，BASE 必須是 256 字節(jié)對(duì)齊的。

所有機(jī)器外部中斷（全局中斷）都映射到異常代碼 11。因此，當(dāng)啟用中斷向量時(shí)，pc 設(shè)置為任何全局中斷的地址 mtvec.BASE + 0x2C。

Machine Interrupt Enable (mie)

通過設(shè)置 mie 寄存器中的相應(yīng)位來啟用各個(gè)中斷。

Machine Interrupt Pending (mip)

機(jī)器中斷掛起 (mip) 寄存器指示當(dāng)前哪些中斷處于掛起狀態(tài)。

特權(quán)模式中斷

U54內(nèi)核支持有選擇地將中斷和異常定向到S模式。

該功能由中斷和異常委托CSR處理：mideleg和medeleg。S模式中斷和異常可以通過stvec、sip、sie 和 scause 管理。

在M模式下，軟件還可以直接寫入SIP寄存器，從而有效地向S模式發(fā)送中斷。這對(duì)于定時(shí)器和軟件中斷特別有用，因?yàn)榭赡苄枰贛模式和S模式下處理這些中斷。

Delegation Registers (mideleg and medeleg)

默認(rèn)情況下，所有的trap都在M模式下處理。M模式下軟件可以通過CSR 有選擇地將中斷和異常委托給S模式。具體的映射如表 92 和表 93 。

注意，本地中斷可以委托給M模式。

Supervisor Status Register (sstatus)

與M模式類似，S模式有一個(gè)寄存器，專門用于跟蹤 hart 的當(dāng)前狀態(tài)，稱為?sstatus。sstatus?實(shí)際上是 mstatus 的受限視圖，因?yàn)閷?duì) sstatus 所做的更改反映在 mstatus 中。

通過在 sstatus 中設(shè)置 SIE 位并在 sie 寄存器中啟用所需的單個(gè)中斷來啟用中斷。

Supervisor Interrupt Enable Register (sie)

通過在 sie 寄存器中設(shè)置適當(dāng)?shù)奈粊韱⒂霉芾韱T中斷。

Supervisor Interrupt Pending (sip)

S模式中斷掛起 (sip) 寄存器指示當(dāng)前哪些中斷掛起。

Supervisor Cause Register (scause)

當(dāng)S模式下捕獲陷阱時(shí)，將導(dǎo)致陷阱的事件的代碼寫入 cause。當(dāng)導(dǎo)致陷阱的事件是中斷時(shí)，最高有效位 scause 設(shè)置為 1，最低有效位表示中斷號(hào)，使用與 sip 中的位置相同的編碼。例如，S模式定時(shí)器中斷導(dǎo)致 cause 被設(shè)置為 0x8000_0000_0000_0005。

scause 也用于指示同步異常的原因，在這種情況下，scause 的最高有效位設(shè)置為 0。有關(guān)同步異常代碼的列表，請(qǐng)參見表 98。

Supervisor Trap Vector (stvec)

默認(rèn)情況下，所有中斷都會(huì)捕獲到 stvec 寄存器中定義的單個(gè)地址。由中斷處理程序讀取原因并做出相應(yīng)的反應(yīng)。RISC?V 和 U54 內(nèi)核還支持選擇性地啟用中斷向量的能力。當(dāng)啟用向量時(shí)，在 sie 中定義的每個(gè)中斷都會(huì)陷入到它自己的特定中斷處理程序中。

當(dāng) stvec 寄存器的 MODE 字段設(shè)置為 1 時(shí)，向量中斷被啟用。

如果向量中斷被禁用 (stvec.MODE=0)，所有中斷都會(huì)陷入 stvec.BASE 地址。如果啟用矢量中斷 (stvec.MODE=1)，中斷將 pc 設(shè)置為 stvec.BASE + 4 × 異常代碼 (scause.EXCCODE)。例如，如果發(fā)生管理定時(shí)器中斷，則 pc 設(shè)置為 stvec.BASE + 0x14。通常，陷阱向量表中填充有跳轉(zhuǎn)指令，以將控制轉(zhuǎn)移到特定于中斷的陷阱處理程序。

在向量中斷模式下，BASE 必須是 128 字節(jié)對(duì)齊的。

所有主管外部中斷（全局中斷）都映射到異常代碼 9。因此，當(dāng)啟用中斷向量時(shí)，pc 被設(shè)置為任何全局中斷的地址 stvec.BASE + 0x24。

Delegated Interrupt Handling

接受委派陷阱后，會(huì)發(fā)生以下情況：

• sstatus.SIE?的值被復(fù)制到?sstatus.SPIE，然后?sstatus.SIE?被清除，有效地禁用中斷。

• 當(dāng)前pc被復(fù)制到sepc寄存器中，然后pc被設(shè)置為stvec的值。在啟用矢量中斷的情況下，pc?設(shè)置為?stvec.BASE?+ 4 × 異常代碼 (scause.EXCCODE)。

• 中斷前的特權(quán)模式編碼在?sstatus.SPP?中

此時(shí)，控制權(quán)移交給中斷處理程序中的軟件，中斷被禁用?？梢酝ㄟ^顯式設(shè)置?sstatus.SIE?或執(zhí)行?SRET?指令退出處理程序來重新啟用中斷。執(zhí)行?SRET?指令時(shí)，會(huì)發(fā)生以下情況：

• 特權(quán)模式設(shè)置為?sstatus.SPP?中編碼的值

• status.SPIE?的值被復(fù)制到?status.SIE

• pc?設(shè)置為?sepc?的值

此時(shí)，控制權(quán)交給了軟件

中斷延遲

U54內(nèi)核的中斷延遲為四個(gè) external_source_for_core_N_clock 周期，計(jì)算方式是從向 hart 發(fā)送中斷信號(hào)到處理程序的第一個(gè)指令獲取所需的周期數(shù)。

通過 PLIC 路由的全局中斷會(huì)導(dǎo)致三個(gè)時(shí)鐘周期的額外延遲，其中 PLIC 由時(shí)鐘計(jì)時(shí)。這意味著全局中斷的總延遲（以周期為單位）為：4 + 3 × (external_source_for_core_N_clock Hz ÷ clock Hz)。這是最佳情況下的循環(huán)計(jì)數(shù)，并假定處理程序已緩存。它沒有考慮來自外圍源的額外延遲

不可屏蔽中斷

rnmi（可恢復(fù)不可屏蔽中斷）中斷信號(hào)是 hart 的電平敏感輸入。不可屏蔽中斷比 hart 上的任何其他中斷或異常具有更高的優(yōu)先級(jí)，并且不能被軟件禁用。具體來說，它們不會(huì)通過清除 mstatus.mie 寄存器來禁用。

Handler Addresses

NMI 有一個(gè)關(guān)聯(lián)的異常陷阱處理程序地址。該地址由外部輸入信號(hào)設(shè)置。

RNMI CSRs

這些 M 模式 CSR 啟用可恢復(fù)非屏蔽中斷 (RNMI)。

• mnscratch CSR 擁有一個(gè) 64 位讀寫寄存器，它使 NMI 陷阱處理程序能夠保存和恢復(fù)被中斷的上下文。

• mnepc CSR 是一個(gè) 64 位讀寫寄存器，在進(jìn)入 NMI 陷阱處理程序時(shí)，它保存接受中斷的指令的 PC。mnepc 的最低位硬連線為零。

• mncause CSR 包含 NMI 的原因，第 63 位設(shè)置為 1，并且 NMI 原因編碼在最低有效位中，如果不支持 NMI 原因，則為零。mncause 的低位，定義為 exception_code，如下：

• mnstatus CSR 包含一個(gè)兩位字段，在進(jìn)入陷阱處理程序時(shí)，它包含以與 mstatus.mpp 相同的方式編碼的中斷上下文的特權(quán)模式

MNRET Instruction

此僅 M 模式指令使用 mnepc 和 mnstatus 中的值分別返回中斷上下文的程序計(jì)數(shù)器和特權(quán)模式。該指令還設(shè)置內(nèi)部 rnmie 狀態(tài)位。

編碼與 MRET 相同，除了第 30 位設(shè)置（即 funct7=0111000）。例如：

RNMI Operation

當(dāng)檢測到RNMI中斷時(shí)，將中斷的PC寫入mnepc CSR，RNMI的類型寫入mncause CSR，中斷上下文的特權(quán)模式寫入mnstatus CSR。內(nèi)部微體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)位 rnmie 被清除以指示處理器處于 RNMI 處理程序中并且不能接受新的 RNMI 中斷。清除時(shí)，內(nèi)部 rnmie 位還會(huì)禁用所有其他中斷

這些中斷被稱為不可屏蔽的，因?yàn)檐浖o法屏蔽中斷。但是，為了正確操作，必須推遲同一中斷的其他實(shí)例，直到處理程序完成，因此內(nèi)部狀態(tài)位

RNMI 處理程序可以使用 MNRET 指令（在第 7.11.3 節(jié)中描述）恢復(fù)原始執(zhí)行，該指令從 mnepc 恢復(fù) PC，從 mnstatus 恢復(fù)特權(quán)模式，并設(shè)置內(nèi)部 rnmie 狀態(tài)位，重新啟用其他中斷。

如果hart在rnmie位清零時(shí)遇到異常，則將異常狀態(tài)寫入mepc和mcause，mstatus.mpp設(shè)置為M-mode，hart跳轉(zhuǎn)到RNMI異常處理程序地址。

RNMI 處理程序中的陷阱只有在處理程序正在服務(wù)發(fā)生在機(jī)器模式之外的中斷時(shí)發(fā)生時(shí)才能恢復(fù)。

原文作者：嵌入式Linux充電站