哪吒D1开发板RISC-V CLINT编程实践
哪吒D1开发板RISC-V CLINT编程实践
- 1.本文概述
- 2.D1上的软件中断与定时器中断分析
- 3.CLINT的编程模型与实际演示
- 3.1 设置中断向量入口地址
- 3.2 设置RISCV核的中断使能
- 3.3 设置CLINT的寄存器的值
- 4.测试结果
- 5.小结
1.本文概述
当前riscv的中断控制器部分比较简单，不像arm那样复杂，设计的简单分析起来就比较容易理解清楚。相比于ARM的GIC，RISC-V这一套CLINT与PLINT简直太容易理解了。或许是因为ARM迭代的时间很长，积累了很多设计上的经验，RISCV还需要经过实际的市场的考验，才能真正的看到中断控制这一块的设计到底是否简洁并且设计合理。
在RISCV的设计上，其规范《riscv-spec-20191213.pdf》是这样描述中断、异常、陷阱的。
中断：
由RISC-V HART运行的程序，意外被打断，转向执行意外事件的一种机制。例如串口中断，定时器中断等等。
异常：
异常就是指RISC-V HART在正常运行的过程中，突然发生了意外的情况。例如访问了没有分配的内存，或者访问未定义的指令等等。
陷阱：
陷阱就是主动的被唤起去做一件意料之中的事情，比如系统调用，软件中断等等。
上述对RISCV的中断、异常、陷阱的描述都不够完全的覆盖，只是说了大概的意思，深入理解RISCV的中断、异常、陷阱的设计可以直接查看官方文档。
https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/Ratified-IMAFDQC/riscv-spec-20191213.pdf
根据RISC-V架构的定义，当前主流RISC-V芯片设计上的中断控制器。
sifive的芯片基本上采用clint+plic。
gd32vf103（eclic）
d1(clint+plic)
本文分析的d1上的clint编程模型，将能够很好的理解riscv的中断编程的设计。
图片上概述了相对标准的RISCV中断控制部分的机制，对于D1单核的情况来看，CLINT只负责处理软件中断和时钟中断，因为这两个中断是RISC-V架构中定义的。经过CLINT不需要进行任何的仲裁，直接将中断（Software与Timer）送入D1的RISC-V核中。
由于Software与Timer中断不需要任何外设控制，可以直接控制其产生对应的中断。
2.D1上的软件中断与定时器中断分析
CLINT本质上也是一个核内外设，由于D1采用的是平头哥的玄铁C906，所以可以从官方网站下载C906手册。
CLINT的全称（Core-Local Interruptor）核间局部中断。
主要是定义了M-Mode(机器模式)的软件中断和计时器比较中断，S-Mode（超级用户模式）下的软件中断和计时器比较中断。
基本上和官方定义的一样，但是玄铁c906并未实现mtime寄存器，这一点是需要注意的。mtimer寄存器的作用是读取当前的cycle。
软件中断
作为CLINT来说，软件中断只需要向CLINT的MSIP0或者SSIP0寄存器的最高位写1即可，处理完中断后，将其置为0，这样就能够清除掉软件中断的标志位。
定时器中断
作为riscv内核特有的中断，其用法就是往MTIMECMP或者STIMECMP中写特定的值，当mtime达到该值时产生中断，此时继续填写特定的tick就可以继续产生下个中断，反复如此，便可产生周期性的tick中断。
3.CLINT的编程模型与实际演示
原理层面上理解不难，那么实际操作时又该是怎样的编程模型呢？下面详细分析一下CLINT的编程模型。
3.1 设置中断向量入口地址
要想让其产生中断，必须告诉处理器中断的处理的入口地址，这里通过写入mtvec，当程序运行在机器模式下时，其程序的入口地址是_trap_handler。
.global table_val_set
table_val_set:
la t0, _trap_handler
csrw mtvec, t0
jr ra
riscv支持向量中断和非向量中断两种编程模型，这里只演示用非向量中断，也就是中断发生后，所有的入口只有一个，不固定偏移。
在_trap_handler函数中，需要做的事情其实就是三件：
保存现场，判断并执行中断处理函数，恢复现场。
.globl _trap_handler
_trap_handler:
SAVE_CONTEXT
csrr a0,mcause
csrr a1,mepc
call irq_handle_trap
RESTORE_CONTEXT
mret
其中判断中断的入口可以通过mcause寄存器来判断具体中断发生的原因。
对于D1 rv64架构，寄存器的位宽是64位，所以最高位是1表示中断，为0表示异常。
对于irq_handle_trap实际的判断，需要根据中断类型，从而去执行对应的中断逻辑。
这里有个非常关键的地方，就是中断产生后，现场的保护和恢复，以及什么时候开关中断的问题，这些细节可以优化，从而让程序状态调整到最佳。
/*
Register ABI Name Description Saver
x0 zero Hard-wired zero --
x1 ra Return address Caller
x2 sp Stack pointer Caller
x3 gp Global pointer --
x4 tp Thread pointer --
x5-7 t0-2 Temporaries Caller
x8 s0/fp Saved register/frame pointer Caller
x9 s1 Save register Caller
x10-11 a0-1 Function arguments/return values Caller
x12-17 a2-7 Function arguments Caller
x18-27 s2-11 Saved registers Caller
x28-31 t3-6 Temporaries Caller
-------------------------------------------------------------------------------
f0-7 ft0-7 FP temporaries Caller
f8-9 fs0-1 FP save registers Caller
f10-11 fa0-1 FP arguments/return values Caller
f12-17 fa2-7 FP arguments Caller
f18-27 fs2-11 FP saved registers Caller
f28-31 ft8-11 FP temporaries Caller
*/
在这些寄存器中，有些是可以不用压入栈中的，具体哪些，我以后会慢慢分析，只有对riscv寄存器的特性有了足够清晰的认识，设计出最佳压栈入栈的设计，将程序调整到最优。因为在高性能，高实时性的场合下，多一个寄存器的压入都是一笔性能的损失。
那么到底什么时候开关中断，这个问题是非常重要的。默认情况下，中断产生后进入中断处理的第一条指令都是关闭中断的，所以这里可能会有两种模型。
按照正常的处理流程，第一种效率高一些，缩短关闭全局中断的时间，可以很大程度上提高系统的实时性，但是其实第二种才是正确的结果。第一种情况可能会在寄存器出栈的过程中再次产生中断，由于寄存器数据还没有恢复完成，此时又压入寄存器，这样是没有意义的操作，就算处理得当效率反而会下降。
第二种是比较简单和安全的，但是存在时间长度过长的问题。
由于当前的riscv中断编程模型较为简单，不存在咬尾中断，中断嵌套等模型。在目前的riscv中断设计中，其中只见到芯来的ECLIC有咬尾中断的处理过程。下面简述一下原理。
其实就是中断产生后，并不会直接跳转到具体的中断入口函数，由统一的入口进行分发处理。
eclic新增了下面的指令。
csrrw ra， CSR_JALMNXTI， ra
该指令做了两件事
1.判断是否有挂起中断，如果有跳转到中断向量入口，开始执行具体中断，没有则向下执行
2.如果有挂起中断，跳转到中断处理程序后，再次回到该指令，看是否还有中断处理
整个过程的流程稍微复杂一些，但是这样却增加了实时性，中断处理效率更高效。当然，CLINT没有这种特性。所以使用起来比较简单一些。
3.2 设置RISCV核的中断使能
既然需要理解D1的CLINT的使用，那么就必须使能全局中断。
全局中断的使能在mstatus寄存器中。
.global all_interrupt_disable
all_interrupt_disable:
csrrci a0, mstatus, 8
ret
其中mstatus叫做机器模式处理器状态寄存器，其中记录了机器模式下的状态和控制信息。包括中断有效位，异常特权模式位等等。
而第三位则是机器模式下的中断开启或者使能位。
当然，全局中断使能，还不能结束，还要使能机器模式中断使能控制寄存器MIE。
该寄存器定义了当前处理器需要开启哪些中断类型，C906支持超级用户模式\机器模式下的三种中断。
MEIE：外部中断
MTIE：定时器中断
MSIE：软件中断
比如这里使能定时器中断，此时就需要开启MSTATUS的全局中断与中断使能寄存器MIE寄存器进行开启。
3.3 设置CLINT的寄存器的值
进行到这里，基本上riscv中断产生的条件就有了，就差最后一步，配置CLINT寄存器。
#define D1_MSIP0 0x14000000
#define D1_MTIMECMPL0 0x14004000
#define D1_MTIMECMPH0 0x14004004
#define D1_SSIP0 0x1400C000
#define D1_STIMECMPL0 0x1400D000
#define D1_STIMECMPH0 0x1400D004
在D1上，CLINT的寄存器地址如上所示，比如开启定时器，那么只需要保证两点。C906自定义了一个机器模式扩展状态寄存器MXSTATUS。
保证第17位是1表示可以开启CLINT功能。
另外，还需要将MTIMECMPL0的值设置的大于当前的时间基点。
问题是标准的CLINT上有MTIME寄存器，而C906上可以通过time的csr来获取当前机器的时基。
uint64_t counter(void)
{
uint64_t cnt;
__asm__ __volatile__("csrr %0, time\n" : "=r"(cnt) :: "memory");
return cnt;
}
设置定时器中断，主要分为三部分：
1.开启全局中断
通过设置mstatus寄存器。
2.开启中断使能控制器
通过设置mie寄存器开启定时器中断。
3.设置clint的MTIMECMP寄存器
让该计数值大于当前时间，即可产生定时器中断。
csr_clear(mie, MIP_MTIP | MIP_MSIP);
write32(CLINT + 0x4000, counter() + 1000000);
write32(CLINT + 0x4004, 0);
csr_set(mie, MIP_MTIP | MIP_MSIP);
这样就可正常产生定时器中断了。
在中断处理程序中不断的添加MTIMECMP值即可。
4.测试结果
通过对结果的分析，可以看到正常的产生了定时器中断。
mcause表示的是中断的原因，最高位是1表示中断，否则为陷阱或者异常。
实现代码可以参考
https://github.com/bigmagic123/d1-nezha-baremeta
对D1裸机部分进行细致深入的分析。
5.小结
riscv的CLINT使用起来相比arm来说容易一些，掌握其编程模型，也非常容易实现自己的中断处理程序。但是不支持中断嵌套，更多的中断特性还需要实际的产品中使用才能真正的理解设计。
对于CLINT，主要理解有两个中断，软件中断，定时器中断，这样两者几乎不依赖任何的驱动组件IP，所以一般做标准的RISCV核，都会集成这样的设计，对于编写操作系统，做生态软件的开发需要深刻理解。