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https://github.com/cccriscv/mini-riscv-os.git
synced 2025-11-16 04:24:33 +00:00
04-TimerInterrupt.md finished
This commit is contained in:
ccckmit
@@ -1,5 +1,274 @@
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# 04-TimerInterrupt
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[os.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/04-TimerInterrupt/os.c
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[timer.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/04-TimerInterrupt/timer.c
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[sys.s]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/04-TimerInterrupt/sys.s
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專案 -- https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/tree/master/04-TimerInterrupt
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在前一章的 [03-MultiTasking](03-MultiTasking.md) 中我們實作了一個《協同式多工》作業系統。但是由於沒有引入時間中斷機制，無法成為一個《搶先式》(Preemptive) 多工系統。
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本章將為第五章的《搶先式多工系統》鋪路，介紹如何在 RISC-V 處理器中使用《時間中斷機制》。有了時間中斷之後，我們就可以定時強制取回控制權，而不用害怕惡霸行程佔據系統而不歸還控制權給作業系統了。
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## 系統執行
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首先讓我們展示一下系統的執行狀況，當你用 make clean, make 等指令建置好
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04-TimerInterrupt 下的專案後，就可以用 make qemu 開始執行，結果如下：
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```
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$ make qemu
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Press Ctrl-A and then X to exit QEMU
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qemu-system-riscv32 -nographic -smp 4 -machine virt -bios none -kernel os.elf
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OS start
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timer_handler: 1
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timer_handler: 2
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timer_handler: 3
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timer_handler: 4
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timer_handler: 5
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QEMU: Terminated
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```
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系統會很穩定的以大約每秒一次的方式，印出 `timer_handler: i` 這樣的訊息，這代表時間中斷機制啟動成功，而且定時進行中斷。
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## 主程式 [os.c]
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在講解時間中斷之前，先讓我們看看作業系統主程式 [os.c] 的內容。
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```cpp
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#include "os.h"
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int os_main(void)
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{
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lib_puts("OS start\n");
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timer_init(); // start timer interrupt ...
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while (1) {} // stop here !
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return 0;
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}
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```
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基本上這個程式印出了 `OS start` 之後，啟動了時間中斷，然後就進入無窮迴圈卡住了。
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但是為何該系統之後還會印出 `timer_handler: i` 這樣的訊息呢？
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```
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timer_handler: 1
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timer_handler: 2
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timer_handler: 3
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```
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這當然是因為時間中斷機制造成的！
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讓我們看看 [timer.c] 的內容，請特別注意其中的 `w_mtvec((reg_t)sys_timer)` 這行，當時間中斷發生時，程式會跳到 [sys.s] 裏的 sys_timer 這個組合語言函數。
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```cpp
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#include "timer.h"
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||||
extern void os_kernel();
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||||
// a scratch area per CPU for machine-mode timer interrupts.
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reg_t timer_scratch[NCPU][5];
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||||
void timer_init()
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{
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||||
// each CPU has a separate source of timer interrupts.
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int id = r_mhartid();
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||||
// ask the CLINT for a timer interrupt.
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||||
int interval = 10000000; // cycles; about 1 second in qemu.
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||||
*(reg_t*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(reg_t*)CLINT_MTIME + interval;
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||||
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||||
// prepare information in scratch[] for timervec.
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||||
// scratch[0..2] : space for timervec to save registers.
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||||
// scratch[3] : address of CLINT MTIMECMP register.
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||||
// scratch[4] : desired interval (in cycles) between timer interrupts.
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||||
reg_t *scratch = &timer_scratch[id][0];
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||||
scratch[3] = CLINT_MTIMECMP(id);
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||||
scratch[4] = interval;
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||||
w_mscratch((reg_t)scratch);
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||||
// set the machine-mode trap handler.
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||||
w_mtvec((reg_t)sys_timer);
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||||
// enable machine-mode interrupts.
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||||
w_mstatus(r_mstatus() | MSTATUS_MIE);
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||||
// enable machine-mode timer interrupts.
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||||
w_mie(r_mie() | MIE_MTIE);
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||||
}
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||||
static int timer_count = 0;
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void timer_handler() {
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lib_printf("timer_handler: %d\n", ++timer_count);
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// os_kernel();
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}
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```
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而 [sys.s] 裏的 sys_timer 這個函數，會用 csrr 這個特權指令將 mepc 特權暫存器暫存入 a7 當中，然後設定 mepc = sys_kernel 。
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```s
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sys_timer:
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# ....
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csrr a7, mepc # a7 = mepc, for sys_kernel jump back to interrupted point
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la a1, sys_kernel # mepc = sys_kernel
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csrw mepc, a1 # mret : will jump to sys_kernel
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# ....
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mret
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```
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在這裡讀者必須先理解 RISC-V 的中斷機制，RISC-V 基本上有三種執行模式，那就是《機器模式 machine mode, 超級模式 super mode 與 使用者模式 user mode》。
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本書中 mini-riscv-os 的所有範例，都是在機器模式下執行的，沒有使用到 super mode 或 user mode。
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而 mepc 就是機器模式下中斷發生時，硬體會自動執行 mepc=pc 的動作。
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當 sys_timer 在執行 mret 後，硬體會執行 pc=mepc 的動作，然後就跳回原本的中斷點繼續執行了。(就好像沒發生過甚麼事一樣)
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但是我們想要偷樑換柱，讓 sys_timer 在執行到 mret 時，跳到另一個 sys_kernel 函數去執行。
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```s
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sys_kernel:
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addi sp, sp, -128 # alloc stack space
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reg_save sp # save all registers
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call timer_handler # call timer_handler in timer.c
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reg_load sp # restore all registers
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addi sp, sp, 128 # restore stack pointer
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jr a7 # jump to a7=mepc , return to timer break point
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```
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因此我們在 sys_timer 裏，偷偷的把 mepc 換為 sys_kernel ，並且將原本的 mepc 保存在 a7 暫存器當中。(a7 暫存器預設是函數呼叫時的第七個暫存器，因為參數很少到達 7 個以上，所以很少被用到，我們拿來偷存 mepc，希望不會因此影響到系統行為)
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```s
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sys_timer:
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# ....
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csrr a7, mepc # a7 = mepc, for sys_kernel jump back to interrupted point
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la a1, sys_kernel # mepc = sys_kernel
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csrw mepc, a1 # mret : will jump to sys_kernel
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# ....
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mret
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```
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這樣當 mret 執行時，就會跳到 sys_kernel 去，而不是跳回被打斷那個點。
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然後我們在 sys_kernel 裏才去真正呼叫中斷時要做的 C 語言函數 timer_handler。
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當然，在呼叫 C 語言函數前必須先把目前暫存器全都透過 reg_save 這個巨集保存起來，呼叫完 timer_handler 之後將暫存器的內容恢復，才能像沒事一樣繼續回到原本的中斷點繼續執行。(否則暫存器被改掉的話，回到中斷點也無法正確地繼續執行了)
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```s
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||||
sys_kernel:
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||||
addi sp, sp, -128 # alloc stack space
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||||
reg_save sp # save all registers
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||||
call timer_handler # call timer_handler in timer.c
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||||
reg_load sp # restore all registers
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||||
addi sp, sp, 128 # restore stack pointer
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||||
jr a7 # jump to a7=mepc , return to timer break point
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```
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當 timer_handler 呼叫完成，且恢復了暫存器之後，就可以透過 jr a7 這個指令，跳回到當初保存的返回點 (a7=mepc)，於是又回到原本的中斷點繼續執行，好像沒發生過甚麼事一樣了。
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以上我們已經將 RISC-V 的中斷機制原理粗略的講解完了，但是更細緻的過程，還得進一步理解 RISC-V 處理器的機器模式 (machine mode) 相關特權暫存器，像是 mhartid (處理器核心代號), mscratch (臨時暫存區起始點), mstatus (狀態暫存器)，mie (中斷暫存器) 等等。
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```cpp
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||||
#include "timer.h"
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||||
extern void os_kernel();
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||||
// a scratch area per CPU for machine-mode timer interrupts.
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||||
reg_t timer_scratch[NCPU][5];
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||||
void timer_init()
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{
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// each CPU has a separate source of timer interrupts.
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||||
int id = r_mhartid();
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// ask the CLINT for a timer interrupt.
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||||
int interval = 10000000; // cycles; about 1 second in qemu.
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||||
*(reg_t*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(reg_t*)CLINT_MTIME + interval;
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||||
// prepare information in scratch[] for timervec.
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||||
// scratch[0..2] : space for timervec to save registers.
|
||||
// scratch[3] : address of CLINT MTIMECMP register.
|
||||
// scratch[4] : desired interval (in cycles) between timer interrupts.
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||||
reg_t *scratch = &timer_scratch[id][0];
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||||
scratch[3] = CLINT_MTIMECMP(id);
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||||
scratch[4] = interval;
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||||
w_mscratch((reg_t)scratch);
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||||
// set the machine-mode trap handler.
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||||
w_mtvec((reg_t)sys_timer);
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||||
// enable machine-mode interrupts.
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||||
w_mstatus(r_mstatus() | MSTATUS_MIE);
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||||
// enable machine-mode timer interrupts.
|
||||
w_mie(r_mie() | MIE_MTIE);
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||||
}
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```
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另外還得理解 RISC-V 的 virt 這台 QEMU 虛擬機器中的記憶體映射區域，像是CLINT_MTIME, CLINT_MTIMECMP 等等。
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RISC-V 的時間中斷機制是比較 CLINT_MTIME 與 CLINT_MTIMECMP 兩個數值，當 CLINT_MTIME 超過 CLINT_MTIMECMP 時就發生中斷。
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因此 timer_init() 函數才會有下列指令
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```cpp
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*(reg_t*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(reg_t*)CLINT_MTIME + interval;
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```
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就是為了設定第一次的中斷時間。
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同樣的，在 [sys.c] 的 sys_timer 裏，也要去設定下一次的中斷時間:
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```s
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sys_timer:
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# timer_init() has set up the memory that mscratch points to:
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# scratch[0,4,8] : register save area.
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# scratch[12] : address of CLINT's MTIMECMP register.
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# scratch[16] : desired interval between interrupts.
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csrrw a0, mscratch, a0 # exchange(mscratch,a0)
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sw a1, 0(a0)
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sw a2, 4(a0)
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sw a3, 8(a0)
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# schedule the next timer interrupt
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||||
# by adding interval to mtimecmp.
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lw a1, 12(a0) # CLINT_MTIMECMP(hart)
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lw a2, 16(a0) # interval
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lw a3, 0(a1) # a3 = CLINT_MTIMECMP(hart)
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add a3, a3, a2 # a3 += interval
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sw a3, 0(a1) # CLINT_MTIMECMP(hart) = a3
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csrr a7, mepc # a7 = mepc, for sys_kernel jump back to interrupted point
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la a1, sys_kernel # mepc = sys_kernel
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csrw mepc, a1 # mret : will jump to sys_kernel
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lw a3, 8(a0)
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lw a2, 4(a0)
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lw a1, 0(a0)
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csrrw a0, mscratch, a0 # exchange(mscratch,a0)
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mret # jump to mepc (=sys_kernel)
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```
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請特別注意其中的這段程式碼，其目的是將 CLINT_MTIMECMP 加上 interval，也就是 CLINT_MTIMECMP += interval 的意思。
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```s
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# schedule the next timer interrupt
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||||
# by adding interval to mtimecmp.
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lw a1, 12(a0) # CLINT_MTIMECMP(hart)
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||||
lw a2, 16(a0) # interval
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||||
lw a3, 0(a1) # a3 = CLINT_MTIMECMP(hart)
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add a3, a3, a2 # a3 += interval
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sw a3, 0(a1) # CLINT_MTIMECMP(hart) = a3
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```
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這樣下一次 CLINT_MTIMECMP 時間到的時候，CLINT_MTIME 就會大於 CLINT_MTIMECMP，於是中斷就再次發生了。
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以上就是 RISC-V 處理器在 virt 這個虛擬機器上的中斷機制原理！
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