RISC-V特权架构 - 中断定义

1 中断类型
- 1.1 外部中断
- 1.2 计时器中断
- 1.3 软件中断
- 1.4 调试中断
2 中断屏蔽
3 中断等待
4 中断优先级与仲裁
5 中断嵌套
6 异常相关寄存器

本文属于《 RISC-V指令集基础系列教程》之一，欢迎查看其它文章。

1 中断类型

RISC-V 架构定义的中断类型分为4 种：

外部中断（External Interrupt）
计时器中断（Timer Interrupt）
软件中断（Software Interrupt）
调试中断（Debug Interrupt）

下文将分别予以详述，由于本文为简化知识模型，在此仅介绍“机器模式”的相关内容。

1.1 外部中断

RISC-V 架构定义的外部中断，要点如下：

（1）外部中断，是指来自于处理器核外部的中断，譬如外部设备UART、GPIO 等产生的中断。
（2）RISC-V 架构，在机器模式、监督模式和用户模式下，均有对应的外部中断。
（3）机器模式外部中断（Machine External Interrupt）的屏蔽，由CSR 寄存器mie 中的MEIE域控制；等待（Pending）标志，则反映在CSR 寄存器mip 中的MEIP 域。
（4）机器模式外部中断，可以作为处理器核的一个单比特输入信号，假设处理器需要支持很多个外部中断源，RISC-V 架构定义了一个平台级别中断控制器（Platform Level Interrupt Controller，PLIC）可用于多个外部中断源的优先级仲裁和派发。
- PLIC 可以将多个外部中断源，仲裁为一个单比特的中断信号送入处理器核，处理器核收到中断，进入异常服务程序后，可以通过读PLIC 的相关寄存器，查看中断源的编号和信息。
- 处理器核，在处理完相应的中断服务程序后，可以通过写PLIC 的相关寄存器和具体的外部中断源的寄存器，从而清除中断源（假设中断来源为GPIO，则可通过GPIO 模块的中断相关寄存器，清除该中断）。
（5）虽然RISC-V 架构，只明确定义了一个机器模式外部中断，同时明确定义可通过PLIC在外部管理众多的外部中断源，将其仲裁成为一根机器模式外部中断信号，传递给处理器核。但是RISC-V 架构，也预留了大量的空间，供用户扩展其他外部中断类型，如以下3 种。
- CSR 寄存器mie 和mip 的高20 位，可以用于扩展控制其他的自定义中断类型。
- 用户甚至可以自定义若干组新的mie和mip寄存器，以支持更多自定义中断类型。
- CSR 寄存器mcause 的中断异常编号域为12 及以上的值，均可以用于其他自定义中断的异常编号（Exception Code）。因此理论上通过扩展，RISC-V 架构可以支持无数根自定义的外部中断（External Interrupt）信号，直接输入给处理器核。

1.2 计时器中断

RISC-V 架构定义的计时器中断，要点如下：

（1）计时器中断，是指来自计时器的中断。
（2）RISC-V 架构，在机器模式、监督模式和用户模式下，均有对应的计时器中断。
（3）机器模式计时器中断的屏蔽，由mie 寄存器中的MTIE 域控制，等待（Pending）标志则反映在mip 寄存器中的MTIP 域。
（4）RISC-V 架构定义了，系统平台中必须有一个计时器，并给该计时器定义了两个64 位宽的寄存器mtime和mtimecmp。mtime 寄存器用于反映当前计时器的计数值，mtimecmp 用于设置计时器的比较值。当mtime 中的计数值大于或者等于mtimecmp 中设置的比较值时，计时器便会产生计时器中断。计时器中断会一直拉高，直到软件重新写mtimecmp 寄存器的值，使得其比较值大于mtime 中的值，从而将计时器中断清除。
- 值得注意的是，RISC-V 架构，并没有定义mtime 寄存器和mtimecmp 寄存器为CSR寄存器，而是定义其为存储器地址映射（Memory Address Mapped）的系统寄存器，具体的存储器映射（Memory Mapped）地址RISC-V 架构并没有规定，而是交由SoC系统集成者实现。
- 另一点值得注意的是，RISC-V 架构定义mtime 定时器，为实时（Real-Time）计时器，系统必须以一种恒定的频率作为计时器的时钟。该恒定的时钟频率必须为，低速的电源常开的（Always-on）时钟，低速是为了省电，常开是为了提供准确的计时。

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1.3 软件中断

RISC-V 架构定义的软件中断，要点如下：

（1）软件中断，是指来自软件自己触发的中断。
（2）由于RISC-V 架构，在机器模式、监督模式和用户模式下，均有对应的软件中断。
（3）机器模式软件中断的屏蔽，由mie 寄存器中的MSIE 域控制，等待（Pending）标志则反映在mip 寄存器中的MSIP 域。
（4）RISC-V 架构定义的机器模式软件中断，可以通过软件写1 至msip 寄存器来触发。
- 注意：此msip 寄存器和mip 寄存器中的MSIP 域，命名不可混淆。且RISC-V 架构，并没有定义msip 寄存器为CSR 寄存器，而是定义其为存储器地址映射的系统寄存器，具体的存储器映射地址RISC-V 架构并没有规定，而是交由SoC 系统集成者实现。
（5）当软件写1 至msip 寄存器，触发了软件中断之后，CSR 寄存器mip 中的MSIP 域便会置高，反映其等待状态。软件可通过写0 至msip 寄存器来清除该软件中断。

1.4 调试中断

除了上述3 种中断之外，还有一种特殊的中断——调试中断（Debug Interrupt），此中断专用于实现调试器（Debugger）。

2 中断屏蔽

RISC-V 架构的狭义上的异常，是不可以被屏蔽的，也就是说一旦发生狭义上的异常，处理器一定会停止当前操作转而处理异常。但是狭义上的中断，则可以被屏蔽掉，RISC-V 架构定义了CSR 寄存器机器模式中断使能寄存器mie（Machine Interrupt Enable Registers）可以用于控制中断的屏蔽。
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（1）mie 寄存器的详细格式，如上图，其中每一个比特域，用于控制每个单独的中断使能。
- MEIE 域控制机器模式（Machine Mode）下，外部中断（External Interrupt）的屏蔽。
- MTIE 域控制机器模式（Machine Mode）下，计时器中断（Timer Interrupt）的屏蔽。
- MSIE 域控制机器模式（Machine Mode）下，软件中断（Software Interrupt）的屏蔽。
（2）软件可以通过写mie 寄存器中的值，达到屏蔽某些中断的效果。假设MTIE 域为被设置成0，则意味着将计时器中断屏蔽，处理器将无法响应计时器中断。
（3）如果处理器只实现了机器模式，则监督模式和用户模式对应的中断使能位（SEIE、UEIE、STIE、UTIE、SSIE 和USIE）无任何意义。

注意：
除了对3 种中断的分别屏蔽，通过mstatus 寄存器中的MIE 域，还可以全局关闭所有中断。

3 中断等待

RISC-V 架构定义了，CSR 寄存器机器模式中断等待寄存器mip（Machine Interrupt Pending Registers），可以用于查询中断的等待状态。
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（1）mip 寄存器的详细格式，如上图所示，其中的每一个域，用于反映每个单独的中断等待状态（Pending）。
- MEIP 域反映机器模式（Machine Mode）下的，外部中断的等待（Pending）状态。
- MTIP 域反映机器模式（Machine Mode）下的，计时器中断的等待（Pending）状态。
- MSIP 域反映机器模式（Machine Mode）下的，软件中断的等待（Pending）状态。
（2）如果处理器只实现了机器模式，则mip 寄存器中监督模式和用户模式对应的中断等待状态位（SEIP、UEIP、STIP、UTIP、SSIP 和USIP）无任何意义。
（3）软件可以通过读mip 寄存器中的值，达到查询中断状态的效果。
- 如果MTIP 域的值为1，则表示当前有计时器中断（Timer Interrupt）正在等待“Pending”。
- 注意： 即便mie 寄存器中MTIE 域的值为0（被屏蔽），如果计时器中断到来，则MTIP 域仍然能够显示为1。也就是说，mie寄存器将中断屏蔽，只是让处理器无法响应中断，但是mip的pending状态仍然存在。
- MSIP、MEIP 与MTIP 同理。
（4）MEIP/MTIP/MSIP 域的属性均为只读，软件无法直接写这些域改变其值。只有这些中断的源头，被清除后将中断源撤销，MEIP/MTIP/MSIP 域的值才能相应地归零。譬如MEIP对应的外部中断，需要程序进入中断服务程序后，配置外部中断源，将其中断撤销。MTIP 和MSIP 同理。

下一节将详细介绍，中断的类型和清除方法。

4 中断优先级与仲裁

对于中断而言，多个中断可能存在着优先级仲裁的情况。对于RISC-V 架构而言，分为如下3 种情况：

（1）如果3 种中断同时发生，其响应的优先级顺序如下，mcause 寄存器中，将按此优先级顺序选择更新异常编号（Exception Code）的值。
- 外部中断（External Interrupt）优先级最高。
- 软件中断（Software Interrupt）其次。
- 计时器中断（Timer Interrupt）再次。
（2）调试中断比较特殊。只有调试器（Debugger）介入调试时才发生，正常情形下不会发生，因此在此不予讨论。
（3）由于外部中断来自PLIC，而PLIC 可以管理数量众多的外部中断源，多个外部中断源之间的优先级和仲裁，可通过配置PLIC 的寄存器进行管理。

5 中断嵌套

曾经提到多个中断，理论上可能存在着中断嵌套的情况。而对于RISC-V 架构而言：

进入异常之后，mstatus 寄存器中的MIE 域，将会被硬件自动更新成为0（意味着中断被全局关闭，从而无法响应新的中断）。
退出中断后，MIE 域才被硬件自动恢复成中断发生之前的值（通过MPIE 域得到），从而再次全局打开中断。

由上可见，一旦响应中断进入异常模式后，中断被全局关闭再也无法响应新的中断，因此RISC-V 架构定义的硬件机制，默认无法支持硬件中断嵌套行为。

如果一定要支持中断嵌套，需要使用软件的方式，达到中断嵌套的目的，从理论上来讲，可采用如下方法：

（1）在进入异常之后，软件通过查询mcause 寄存器，确认这是响应中断造成的异常，并跳入相应的中断服务程序中。在这期间，由于mstatus 寄存器中的MIE 域被硬件自动更新成为0，因此新的中断都不会被响应。
（2）待程序跳入中断服务程序中后，软件可以强行改写mstatus 寄存器的值，而将MIE域的值改为1，意味着将中断再次全局打开。从此时起，处理器将能够再次响应中断。但是在强行打开MIE 域之前，需要注意如下事项。
- 假设软件希望屏蔽比其优先级低的中断，而仅允许优先级比它高的新来打断当前中断，那么软件需要通过配置mie 寄存器中的MEIE/MTIE/MSIE 域，来有选择地屏蔽不同类型的中断。
- 对于PLIC 管理的众多外部中断而言，由于其优先级受PLIC 控制，假设软件希望屏蔽比其优先级低的中断，而仅允许优先级比它高的新来中断打断当前中断，那么软件需要通过配置PLIC 阈值（Threshold）寄存器的方式，来有选择地屏蔽不同类型的中断。
（3）在中断嵌套的过程中，软件需要注意保存上下文至存储器堆栈中，或者从存储器堆栈中将上下文恢复（与函数嵌套同理）。
（4）在中断嵌套的过程中，软件还需要注意将mepc 寄存器，以及为了实现软件中断嵌套，被修改的其他CSR 寄存器的值，保存至存储器堆栈中，或者从存储器堆栈中恢复（与函数嵌套同理）。

除此之外，RISC-V 架构，也允许用户实现自定义的中断控制器，实现硬件中断嵌套功能。