RISC-V特权架构 - 时钟中断处理

[1 MTI中断处理](#1 MTI中断处理)
- [1.1 触发中断](#1.1 触发中断)
- [1.2 查询mie.MTIE与mip.MTIE](#1.2 查询mie.MTIE与mip.MTIE)
- [1.3 若运行在M模式下](#1.3 若运行在M模式下)
- [1.4 若运行在S模式下](#1.4 若运行在S模式下)
- [1.5 若运行在U模式下](#1.5 若运行在U模式下)
[2 STI中断处理](#2 STI中断处理)
- [2.1 触发中断](#2.1 触发中断)
- [2.2 查询mie.STIE与mip.STIE](#2.2 查询mie.STIE与mip.STIE)
- [2.3 若运行在M模式下](#2.3 若运行在M模式下)
- [2.4 若运行在S模式下](#2.4 若运行在S模式下)
- [2.5 若运行在U模式下](#2.5 若运行在U模式下)
[3 知识总结](#3 知识总结)
- [3.1 中断处理逻辑](#3.1 中断处理逻辑)
- [3.2 中断处理规则](#3.2 中断处理规则)

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。

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。

支持的中断类型，主要有以下几种：

外部中断：MEIP/SEIP/UEIP
时钟中断：MTIP/STIP/UTIP
软件中断：MSIP/SSIP/USIP

RISC-V 架构中，在机器模式、监督模式和用户模式下，均有对应的时钟中断，分别为MTIP、STIP、UTIP。

对于初学者来讲，涉及到的mie，mstatus，midelege等寄存器，是如何使用的，可能理解的比较模糊，希望经过本节的介绍，能够拨开迷雾。

本文主要，以时钟中断为例，对中断的触发、查询、委托、处理，整个流程进行介绍。

1 MTI中断处理

MTI（Machine Timer Interrupt），即机器模式时钟中断 。

时钟中断，是由本地中断控制器（‌CLINT）‌管理的，‌属于本地中断的一种。‌

1.1 触发中断

MTI中断的触发，是依靠一个计时器，以及一对寄存器来完成的，即mtime和mtimecmp。

mtime 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，计时器便会产生时钟中断。产生中断后，需要固件/软件，重新写mtimecmp 寄存器的值，使其大于mtime 中的值，从而将计时器中断清除。

RISC-V 架构，并没有将这一对寄存器，定义为CSR寄存器。而是定义为存储器地址映射（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。

以上描述的是单核时的情形，若为多核，原理是相同的。CLINT的时钟中断，亦可以发送给每个核，如下图所示：

CLINT中，定义了与核数相同的mtimecmp寄存器，如下图所示：

一个mtimecmp 对应一个核，计数值使用同一个mtime寄存器，mtime与所有mtimecmp比较，可以分别对每个核，触发时钟中断。

时钟中断触发后，硬件会自动将mip.MTIP=1。

MTI中断触发、查询、处理，完整流程图，如下所示：

1.2 查询mie.MTIE与mip.MTIE

mie.MTIE == 1：表示使能MTI中断
mip.MTIE == 1：表示MTI中断处于等待响应状态

要让某中断被处理，则该中断对应的mie.XXIE和mip.XXIP必须为1，只有满足这个条件，才会进入处理逻辑。

此外，下面，还需要根据，当前运行的模式，来查询全局中断使能状态，以及委托。

1.3 若运行在M模式下

若mstatus.mie == 0：表示禁用M模式下中断；故不处理任何中断，异常可以正常处理，不受影响。
若mstatus.mie == 1：表示使能M模式下中断，故可以继续处理。

由于mideleg.MTIP始终为0，因此MTI中断，永远无法被委托给S模式。
即无论运行在何种模式下，M模式时钟中断（mip.MTIP），只能在M模式下处理。

所以，通常，会在MTIP的中断处理函数中，通过注入的方式将mip.STIP置1，以及midelege.STIP置1，以便下一次进入S模式时，以委托方式在S模式下处理mip.STIP中断。

不能忘记，每次时钟中断处理都要更新 mtimecmp 寄存器，否则时钟中断信号，就不会被清除。

1.4 若运行在S模式下

若mstatus.sie == 0：表示禁用S模式下中断；由于mideleg.MTIP为0，无法委托至S，故陷入M处理中断。
若mstatus.sie == 1：表示使能S模式下中断，由于mideleg.MTIP为0，无法委托至S，故陷入M处理中断。

若运行在M模式下，只有在全局中断使能位mstatus.mie置位时，才会处理中断。

如果在S模式下，触发了M模式的中断（MTIP），此时无视mstatus.mie直接响应，即：
运行在低权限模式下，高权限模式的全局中断使能位一直是enable状态。

1.5 若运行在U模式下

由于mideleg.MTIP为0，无法委托至S，故只能陷入M处理中断。

此处，就像是上面S模式介绍的一样，亦不关心mstatus.mie全局中断使能状态。

2 STI中断处理

STI（Supervisor Timer Interrupt），即监管模式时钟中断 。

时钟中断，是由本地中断控制器（‌CLINT）‌管理的，‌属于本地中断的一种。‌

2.1 触发中断

在早期的RISC-V规范中，仅有mtime和mtimecmp寄存器，因此时钟中断触发时，默认写入mip.MTIP=1，而非mip.STIP=1。

我们知道mip.MTIP，只能在M下处理，这就导致想要在S下处理时钟中断，变得比较麻烦。

所以，这里就有2个方法：

软件注入mip.STIP 通常，会在mip.MTIP的中断处理函数中，通过注入的方式将mip.STIP置1，以及midelege.STIP置1，以便下一次进入S模式时，以委托方式在S模式下处理mip.STIP中断。
通过stimecmp，触发mip.STIP 由于 mtimecmp 只能在 M 模式下访问，对于 S/HS 模式下的内核需要通过 SBI 才能访问，会造成较大的中断延迟和性能开销。为了解决这一问题，RISC-V 新增了 Sstc 拓展支持，S模式扩展为HS模式，新增了 stimecmp 。当 time>=stimecmp (HS)时会产生 timer 中断，不再需要通过 SBI 陷入其他模式。

STI中断触发、查询、处理，完整流程图，如下所示：

2.2 查询mie.STIE与mip.STIE

mie.STIE == 1：表示使能STI中断
mip.STIE == 1：表示STI中断处于等待响应状态

要让某中断被处理，则该中断对应的mie.XXIE和mip.XXIP必须为1，只有满足这个条件，才会进入处理逻辑。

此外，下面，还需要根据，当前运行的模式，来查询全局中断使能状态，以及委托。

2.3 若运行在M模式下

若mstatus.mie == 0：表示禁用M模式下中断；故不处理任何中断，异常可以正常处理，不受影响。
若mstatus.mie == 1：表示使能M模式下中断，故可以继续处理。
- 如果mideleg.STIP == 0，表示不委托给S处理，故陷入M进行处理。
- 如果mideleg.STIP == 1，表示委托给S处理，故不在M处理，下次进入S时，尝试在S下处理。

2.4 若运行在S模式下

若mstatus.sie == 0：表示禁用S模式下中断。
- 如果mideleg.STIP == 0，表示不委托给S处理，故陷入M进行处理。
- 如果mideleg.STIP == 1，表示委托给S处理，但是这里，由于S模式全局中断被禁用，因此即便委托，也不会处理任何中断。
若mstatus.sie == 1：表示使能S模式下中断。
- 如果mideleg.STIP == 0，表示不委托给S处理，故陷入M进行处理。
- 如果mideleg.STIP == 1，表示委托给S处理，这里S模式全局中断使能，因此，可以陷入S处理中断。

2.5 若运行在U模式下

如果mideleg.STIP == 0，表示不委托给S处理，故陷入M进行处理。
如果mideleg.STIP == 1，表示委托给S处理，这里，由于运行在低优先级U下，要切换到高优先级S处理中断，因此不关心mstatus.sie全局中断开关状态，默认为enable。所以，这里可以陷入S处理中断。

3 知识总结

3.1 中断处理逻辑

经过对MTI和STI中断的处理分析，发现两者的查询处理逻辑，其实是一样的。

对于RISC-V支持的，主要中断类型：

外部中断：MEIP/SEIP/UEIP
时钟中断：MTIP/STIP/UTIP
软件中断：MSIP/SSIP/USIP

其处理流程，总结为以下几个步骤（以XXI中断为例）：

mie.XXIE == 1 && mip.XXIP == 1：检查确保XXI中断使能，且该中断被触发
根据运行模式，检查全局中断开关
- M模式： 检查mstatus.mie
  - mstatus.mie == 0：禁用M全局中断，不处理
  - mstatus.mie == 1：使能M全局中断，继续检查委托
    - mideleg.XXIP == 0：不委托，陷入M
    - mideleg.XXIP == 1：委托到S，陷入S
- S模式： 检查mstatus.sie
  - mstatus.sie == 0：禁用S全局中断，继续检查委托
    - mideleg.XXIP == 0：不委托，陷入M
    - mideleg.XXIP == 1：委托到S，不处理
  - mstatus.sie == 1：使能S全局中断，继续检查委托
    - mideleg.XXIP == 0：不委托，陷入M
    - mideleg.XXIP == 1：委托到S，陷入S
- U模式： 无需检查全局中断，只检查委托
  - mideleg.XXIP == 0：不委托，陷入M
  - mideleg.XXIP == 1：委托到S，陷入S

比如，换成机器模式外部中断MEI，也是一样的处理过程。

3.2 中断处理规则

RISC-V架构所有模式的异常，在默认情况下，都跳转到M模式处理。
中断/异常委托的目的地，只能是S模式。也就是说，将mideleg中某中断置为1后，表示将该中断委托到S模式进行处理，且只能是S模式。
事实上，即使在mideleg中设置了，将S模式产生的时钟中断，委托给S模式，委托仍无法完成。因为，硬件产生的时钟中断，仍会发到M模式（mtime寄存器，是M模式的设备），所以，我们需要手动触发S模式下的时钟中断（注入mip.STIP）。
由于mideleg中MEIP、MTIP、MSIP这三类M模式中断，属于保留位域，默认值为0，也不可更改，因此对于这些中断均不能委托。

故MEIP、MTIP、MSIP这3类中断，仅能在M模式下处理。
当运行在低权限模式下时，若需要陷入高权限模式处理中断，则高权限模式的全局中断使能位，默认一直是enable状态（即忽略mstatus.mie或sie的实际值）。
当处理中断时，mie、mip、mideleg三个寄存器中，判断的位域应该是相同的。比如：处理MTI中断时，应检查mie.MTIE && mip.MTIP && mideleg.MTIP，因mideleg.MTIP==0，故无法委托；而不能去检查mideleg.STIP，它是表示将STI中断，委托到S的位域。
7. 在常见模拟器中，对于影子寄存器，通常只使用mie、mip、mstatus寄存器，而不使用uie/sie、uip/sip、sstatus。

uie、sie均为mie的子集，为影子寄存器，对应位域偏移与值，均相同；读取 uie/sie 的任何字段或写入其任何可写字段，都会导致 mie 中同名字段的读写。

uip、sip均为mip的子集，为影子寄存器，对应位域偏移与值，均相同；读写与上述特性相同。

sstatus为mstatus的子集，为影子寄存器，对应位域偏移与值，均相同；读写与上述特性相同。

更多关于中断处理的文档，可参考：