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中断机制
简介
中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。
中断的触发一般是由外设或者CPU内部产生，由中断控制器进行处理再通知到CPU进行中断响应过程，其要点如下：
- 外设或者CPU内部产生的这个中断来源称为中断源；
- CPU响应中断转入到的新的处理程序称为中断服务程序；
- 中断处理完成后，处理器需要恢复之前的现场，简称“恢复现场”；
- 当多个中断源请求中断的时候，需要通过优先级区分中断，便于CPU进行中断的处理；
- 低优先级可以被高优先级打断，这个过程称之为中断嵌套；
- 中断可以被屏蔽；
- 所有的中断源都有一个编号，称为“中断号”；
- 每一个中断号通过中断向量表与中断服务程序一一对应，中断向量表保存的是所有的中断服务程序的入口地址，该入口地址被称之为中断向量；
RISC-V架构的中断和异常
概述
从广义上来说，中断和异常属于一个概念；对于处理器而言，通常只区分为同步异常和异步异常。
- 同步异常：同步异常是指由于执行程序或者试图执行指令而产生的异常；例如，非法指令访问；
- 异步异常：最常见的异步异常是外部中断，例如外设触发一个外部中断。
异常处理机制
- 进入异常时，RISC-V架构规定(以机器模式为例)：
- 当前的程序执行流停止执行，直接跳转到CSR寄存器的mtvec定义的PC地址执行；
- 硬件同时更新下列几个CSR寄存器(具体情况可参考RISC-V架构介绍)：
- mcause(Machine Cause Register)：机器模式异常原因寄存
- mepc(Machine Exception Program Register):机器模式异常PC寄存器
- mtval(Machine Trap Value Register)：机器模式异常值寄存器
- mstatus(Machine Status Register)：机器模式状态寄存器
mcause寄存器的Exception Code域标识是何种异常或者何种中断。定义如下图表格所示：
- 退出异常时，需要从异常服务程序中退出，并返回主程序。RISC-V架构定义了一组专门的退出异常指令：MRET、SRET、URET，分别对应机器模式、监督模式、用户模式的退出。
以MRET为例，当处理器执行MRET指令后，硬件行为如下：
1、当前程序执行流程停止执行，跳转到mepc的地址运行；
2、更新mstatus状态寄存器(具体情况可参考RISC-V架构介绍)；
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） ：指来自处理器核外部的中断，例如GPIO、UART等产生的中断。
- 计时器中断（Timer Interrupt） ：计时器中断是指来自计时器的中断。
- 软件中断（Software Interrupt） ：软件中断是指来自软件自己触发的中断。
- 调试中断（Debug Interrupt）：专用于实现调试器（Debugger）。
中断控制器
- CLINT 模块生成计时器中断和软件中断
CLINT 的全称为处理器核局部中断控制器（Core Local Interrupts Controller），主要用于产生计时器中断（Timer Interrupt）和软件中断（Software Interrupt）。 - PLIC 管理多个外部中断
PLIC 全称为平台级别中断控制器（Platform Level Interrupt Controller），它是 RISC-V架构标准定义的系统中断控制器，主要用于多个外部中断源的优先级仲裁。
RISC-V中断控制器如下图所示：
中断处理流程
中断服务程序
每一个中断源对应一个中断号，每一个中断号又通过中断向量表和中断服务程序进行关联。当中断产生后，通过中断向量表跳转到中断服务程序的入口地址进行执行。如下图所示：
中断处理流程
CPU响应中断并进行处理，通常经历以下过程：保存当前线程的栈信息、跳转中断服务程序运行、恢复被打断的线程栈继续运行。 如下图所示：
中断函数接口
typedef void *xs_handler_x(int irq_num, void *arg)
xs_int32 xs_RegisterHwIrq(xs_uint32 irq_num, xs_handler_x handler, void *arg, const char *name);
该函数用于注册一个中断，当产生中断时，将调用该硬件中断号相应的回调函数进行执行 。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| irq_num | 硬件中断号 |
| handler | 中断处理回调函数 |
| arg | 中断处理回调函数的参数 |
| name | 中断名称 |
xs_int32 xs_FreeHwIrq(xs_uint32 irq_num);
该函数用于释放一个中断。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| irq_num | 硬件中断号 |
xs_int32 xs_DisableHwIrq(xs_uint32 irq_num);
该函数用于屏蔽一个中断。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| irq_num | 硬件中断号 |
xs_int32 xs_EnableHwIrq(xs_uint32 irq_num);
该函数用于注使能一个中断。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| irq_num | 硬件中断号 |