你可曾想過現今的電腦是如何同時運行多個應用程式?
又或是單核心電腦如何做到多工?
為銜接之後的議題，我們需要先認識 RISC-V CPU 中的中斷機制。

複習: CSR 暫存器

CSR 暫存器在昨天的文章內也有提到，放置在此篇僅是方便讀者查閱。

RISC-V 架構定義了許多暫存器，部分暫存器被定義為控制和狀態暫存器，也就是標題所指出的 CSR (Control and status registers)，它被用於配置或是紀錄處理器的運作狀況。
筆者先將 RISC-V 架構中 (Machine Mode)與中斷、異常有關的暫存器都列出來，方便待會兒進行解說:

• CSR
  • mtvec
    當進入異常時， PC (Program counter) 會進入 mtvec 所指向的地址並繼續運行。
  • mcause
    紀載異常的原因
  • mtval
    紀載異常訊息
  • mepc
    進入異常前 PC 所指向的地址。若異常處理完畢， Program counter 可以讀取該位址並繼續執行。
  • mstatus
    進入異常時，硬體會更新 mstatus 寄存器的某些域值。
  • mie
    決定中斷是否被處理。
  • mip
    反映不同類型中斷的等待狀態。
• Memory Address Mapped
  • mtime
    紀錄計時器的值。
  • mtimecmp
    儲存計時器的比較值。
  • msip
    產生或結束軟體中斷。
  • PLIC

中斷

現今的作業系統都具備多工處理的能力，不管你的電腦是單核心、雙核心甚至是以上，處理器都必須設計有中斷的能力，讓作業系統能指派不同的程式給處理器運行，達成所謂的多工。

關於作業系統如何做到多工，筆者會在之後的作業系統系列提到。

在 RISC-V ISA 的定義中，中斷主要分成以下四種，分別是:

• External Interrupt
• Timer Interrupt
• Software Interrupt
• Dubug Interrupt

RISC-V 其定義了多種模式，如: Machine Mode 、 User Mode、 Supervisor Mode 等等，由於筆者所閱讀的技術書都是以 Machine Mode 去做介紹。因此，本篇章同樣也會以 Machine Mode 為主。

External Interrupt

External Interrupt 是指源自處理器外部造成的中斷，像是 UART、GPIO 等外部設備產生的中斷。
通常，因為有多個外部設備，在處理器外面會有一個控制器先將外部的中斷請求做預處理，等到處理完成後，若處理器沒有關閉 Interrupt 的功能，處理器才會真正執行中斷。這個外部控制器叫做: Programmable Interrupt Controller。此外，RISC-V 也定義了 Platform Level Interrupt，細節會在文章的後面補充。

補充:
RISC-V 架構對中斷的定義保留了很大的空間，以 mcause register 為例，在 Interrupt 的定義上，Exception Code >= 12 都是被保留的，方便進行擴充。

Timer Interrupt

RISC-V 架構有規定，系統平台必須要有一個計時器。並且，該計時器必須具備兩個 64-bit 的暫存器 mtime 以及 mtimecmp，前者用於紀錄當前計數器的值，後者則是 mtime 的比較值，當 value of mtime > value of mtimecmp 時便會產生中斷。

補充:
我們可以在 CSR Register 的介紹中看到，mtime 以及 mtimecmp 並沒有被歸類在 CSR 暫存器中而是被放在 Memory address mapped 類，這是因為 RISC-V 並沒有定義這兩個暫存器的 Memory mapped address，具體位址交給 SoC 的系統製造商決定。

Software Interrupt

軟體觸發的中斷。

• 軟體中斷是否被系統受理由 MIE Register 的 MSIE 域控制（1 為 Enable，0 為 Disable）。
• 若硬體執行緒將 MSIP 寫入 1 會觸發 Machine Mode 的軟體中斷，當中斷處理完畢後，必須再將 MSIP 歸 0。

Debug Interrupt

該中斷用於 Debugger 的實作。

中斷屏蔽

異常不能被屏蔽，但是中斷可以。

RISC-V 定義了 MIE Register，讓它可以控制中斷的屏蔽。

以 MEIE 為例，

• 字首 M 代表 Machine Mode，字首若是 U 及 S 則代表 User Mode、 Supervisor Mode。
• 第二個字母 E 代表 External Interrupt，字母若是 T 、 S 則代表 Timer Interrupt 以及 Software Interrupt。
• 第三個字母 I 代表 Interrupt。
• 第四個字母 E 代表 Enable。

中斷等待

RISC-V 定義了 MIP Register，可以用來查詢中斷的等待狀態。

以 MEIP 為例，

• 字首 M 代表 Machine Mode，字首若是 U 及 S 則代表 User Mode、 Supervisor Mode。
• 第二個字母 E 代表 External Interrupt，字母若是 T 、 S 則代表 Timer Interrupt 以及 Software Interrupt。
• 第三個字母 I 代表 Interrupt。
• 第四個字母 P 代表 Pending。

!補充->中斷的優先級:
External > Software > Timer

巢狀中斷

中斷嵌套的概念有點像是，進入中斷 A 時又產生了中斷 B，為了幫助讀者理解，筆者在這邊附上作業系統層的 Nested Interrupt 概念圖:

不過，RISC-V 處理器在預設情況下並不支援中斷嵌套，原因如下:

• 進入異常時，mstatus 的 MIE 域會被更新為 0，代表中斷被關閉，處理器直到中斷退出前不會處理新的中斷請求。

當然，如果真的有中斷嵌套的需求，開發者也可以利用軟體做到:

• 將 msatus 的 MIE 域設為 1。
• 考慮中斷的優先級，將 MIE Register 相對應的域做設定。

CSR 指令

RISC-V 定義了一系列的指令讓開發者能夠對 CSR 暫存器進行操作:

• csrs
  把 CSR 中指定的 bit 設為 1。

csrsi mstatus, (1 << 2)

上面的指令會將 mstatus 從 LSB 數起的第三個位置設成 1。

• csrc
  把 CSR 中指定的 bit 設為 0。

csrsi mstatus, (1 << 2)

上面的指令會將 mstatus 從 LSB 數起的第三個位置設成 0。

• csrr[c|s]
  將 CSR 的值讀入通用暫存器。

csrr to, mscratch

• csrw
  將通用暫存器的值寫入 CSR。

csrw	mepc, a0

• csrrw[i]
  將 csr 的值寫入 rd 後，且將 rs1 的值寫入 csr。

csrrw rd, csr, rs1/imm

換個角度思考:

csrrw t6, mscratch, t6

上面的操作可以讓 t6 與 mscratch 的值互換。

這幾個 CSR 指令需要開發者特別留意，之後在閱讀甚至是撰寫作業系統原始碼時，在處理各類的 Interrupt 都必須使用這些操作。

總結

本篇與 RISC-V::中斷與異常處理 – 異常篇完整的介紹了 RISC-V 的中斷與異常處理，考慮到筆者的體力篇幅問題，PLIC 會用額外一篇文章做介紹。

Reference

• rCore-Tutorial V3 Document
• 迈克老狼2012
• RISC-V架構與嵌入式開發快速入門
• RISC-V异常与中断机制概述
• RISC-V Privileged 指令集简介
• RISC-V 特权指令集入门