中断浅析

定义

• 中断是指计算机在执行程序过程中，当遇到来自硬件或软件的某些事件需要立即处理时，暂时停止当前程序的执行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后，再返回原来被中断的程序继续执行的过程

分类

• 基于中断源可分为
  • 软件中断---由程序指令触发，主要用于系统调用和异常处理
  • 硬件中断---类似外设中断
• 基于cpu是否可屏蔽
  • 可屏蔽中断---类似网卡收包中断
  • 不可屏蔽中断---类似电源故障，硬件异常
• 基于cpu指令执行时间
  • 同步中断---与cpu指令相关，是cpu在执行相关指令时，根据指令结果和处理器状态产生的中断，类似除0异常或内存异常
  • 异步中断---与cpu指令无关，是由外部事件触发，类似键盘敲击

整体中断处理流程梳理

初始化

• 硬件
  • 保证外设设备的gpio配置
  • 保证外设到中断控制器以及中断控制器到cpu的中断信号线的配置
• 中断控制器
  • 配置中断模式
  • 配置中断屏蔽使能
  • 配置中断优先级
• 软件
  • 中断向量表的注册
  • 中断服务程序的编写和注册
  • cpu相关中断寄存器的配置

中断触发流程

• 外设端：触发中断，通过该外设的irq线与中断控制器的一根中断信号线链接，通过高低电平变化告知中断控制器
• 中断控制器（PLIC）：接受到中断源的信号后，根据中断使能以及中断优先级路由到对应cpu的hart
• 处理器(risc-v): riscv的cpu会在处理完成每条指令后，检测到中断信号触发；保存 当前pc指针(mepc)、当前特权级别（mpp）、中断id（mcause）【异常或是中断+编号】、中断其他信息（mtval）【类似异常内存地址或异常指令】；根据获取的中断id以及mtvec跳转到对应中断向量函数
• 软件代码 ：保存当前寄存器的上下文，查询plic的中断信息，跳转到对应的中断处理函数，完成处理后恢复寄存器上下文

部分概念说明
irq：interupt request，本质上是一个硬件信号线，用于传输中断信号
hart：riscv的概念hard thread，类似于cpu的核心的意思
mepc：机器模式下异常pc指针寄存器
mpp：机器模式下之前特权级别寄存器
mcause：机器模式异常原因寄存器
mtval：机器模式异常值寄存器
mtvec：机器模式异常向量基址寄存求

在向量模式下，cpu根据mcause获取相关的向量id，根据mtvec获取到向量基址，从而跳转到相关的中断处理函数，中断处理函数通过mtval进行进行判断或记录相关信息