嵌入式IoT[02]_从riscv底层原理分析gd32vf103的中断行为

草帽王子

从riscv底层原理分析gd32vf103的中断行为

1.概述
2.中断向量表初始化
3.详细分析一下irq_entry
4.关于gd32vf103中断编程模型的理解


1.概述

在处理riscv处理器中断的时候，需要弄清楚两个概念：

1.向量中断

2.非向量中断

对于向量中断，其中断发生后，pc指针会根据中断的类型跳转到基地址+中断号*4的地址处去执行中断处理程序，做过stm32的，应该比较清楚向量中断的大概样子。当然，riscv也是支持这种向量中断，这样每个地址处会安排一个特定的中断处理函数，当中断发生后，跳转到特定的函数去执行即可。

对于非向量中断，则表示中断发生后只有一个入口，需要在这一个中断中去判断具体中断号，这种行为可以在常见的mips处理器、sparc处理器中看到。

既然riscv支持这两种中断处理方式，正好gd32vf103的库函数也实现了这两种机制，那么就彻底的分析一下实现的策略。


2.中断向量表初始化

任何代码在最初的汇编级别的初始化时，都会指定向量的基地址。当然riscv也不例外。

对于向量中断来说

1. /*
   
2.      * Intialize ECLIC vector interrupt
   
3.      * base address mtvt to vector_base
   
4.      */
   
5.     la t0, vector_base
   
6.     csrw CSR_MTVT, t0

复制代码

这里的理解就向mtvt寄存器中存放vector_base，该处存放向量地址入口，每个向量中断发生，则根据偏移执行对应的函数。

1.    .globl vector_base
   
2.     .type vector_base, @object
   
3. vector_base:
   
4. #if defined(DOWNLOAD_MODE) && (DOWNLOAD_MODE != DOWNLOAD_MODE_FLASH)
   
5.     j _start                                                /* 0: Reserved, Jump to _start when reset for ILM/FlashXIP mode.*/
   
6.     .align LOG_REGBYTES                                     /*    Need to align 4 byte for RV32, 8 Byte for RV64 */
   
7. #else
   
8.     DECLARE_INT_HANDLER     default_intexc_handler          /* 0: Reserved, default handler for Flash download mode */
   
9. #endif
   
10.     DECLARE_INT_HANDLER     default_intexc_handler          /* 1: Reserved */
    
11.     DECLARE_INT_HANDLER     default_intexc_handler          /* 2: Reserved */
    
12.     DECLARE_INT_HANDLER     eclic_msip_handler              /* 3: Machine software interrupt */
    
13. 
    
14.     DECLARE_INT_HANDLER     default_intexc_handler          /* 4: Reserved */
    
15.     DECLARE_INT_HANDLER     default_intexc_handler          /* 5: Reserved */
    
16.     .
    
17.     .
    
18.     .

复制代码

对于向量函数的处理，不用过多介绍。

下面非向量中断的入口

1. /*
   
2.      * Set ECLIC non-vector entry to be controlled
   
3.      * by mtvt2 CSR register.
   
4.      * Intialize ECLIC non-vector interrupt
   
5.      * base address mtvt2 to irq_entry.
   
6.      */
   
7.     la t0, irq_entry
   
8.     csrw CSR_MTVT2, t0
   
9.     csrs CSR_MTVT2, 0x1

复制代码

其中irq_entry表示了非向量的处理过程。csrs CSR_MTVT2, 0x1该指令的解析如下：

mtvt2[0] = 1 mtvt2[0]为0时，中断入口使用mtvec寄存器，mtvt2[0]为1时，中断入口为mtvt2[31:2]。


3.详细分析一下irq_entry
分析非向量中断的行为，可以更好的理解riscv的中断底层的处理机制。

1. .global irq_entry
   
2. /* This label will be set to MTVT2 register */
   
3. irq_entry:
   
4.     /* Save the caller saving registers (context) */
   
5.     SAVE_CONTEXT
   
6.     /* Save the necessary CSR registers */
   
7.     SAVE_CSR_CONTEXT
   
8. 
   
9.     /* This special CSR read/write operation, which is actually
   
10.      * claim the CLIC to find its pending highest ID, if the ID
    
11.      * is not 0, then automatically enable the mstatus.MIE, and
    
12.      * jump to its vector-entry-label, and update the link register
    
13.      */
    
14.     csrrw ra, CSR_JALMNXTI, ra
    
15. 
    
16.     /* Critical section with interrupts disabled */
    
17.     DISABLE_MIE
    
18. 
    
19.     /* Restore the necessary CSR registers */
    
20.     RESTORE_CSR_CONTEXT
    
21.     /* Restore the caller saving registers (context) */
    
22.     RESTORE_CONTEXT
    
23. 
    
24.     /* Return to regular code */
    
25.     mret

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从中断处理的原理上来讲，中断处理分三部分：

1.保存当前现场
2.进入中断处理函数
3.恢复现场

其中SAVE_CONTEXT确实是保存上下文现场的方式。

1. .macro SAVE_CONTEXT
   
2.     csrrw sp, CSR_MSCRATCHCSWL, sp
   
3.     /* Allocate stack space for context saving */
   
4. #ifndef __riscv_32e
   
5.     addi sp, sp, -20*REGBYTES
   
6. #else
   
7.     addi sp, sp, -14*REGBYTES
   
8. #endif /* __riscv_32e */
   
9. 
   
10.     STORE x1, 0*REGBYTES(sp)
    
11.     STORE x4, 1*REGBYTES(sp)
    
12.     STORE x5, 2*REGBYTES(sp)
    
13.     STORE x6, 3*REGBYTES(sp)
    
14.     STORE x7, 4*REGBYTES(sp)
    
15.     STORE x10, 5*REGBYTES(sp)
    
16.     STORE x11, 6*REGBYTES(sp)
    
17.     STORE x12, 7*REGBYTES(sp)
    
18.     STORE x13, 8*REGBYTES(sp)
    
19.     STORE x14, 9*REGBYTES(sp)
    
20.     STORE x15, 10*REGBYTES(sp)
    
21. #ifndef __riscv_32e
    
22.     STORE x16, 14*REGBYTES(sp)
    
23.     STORE x17, 15*REGBYTES(sp)
    
24.     STORE x28, 16*REGBYTES(sp)
    
25.     STORE x29, 17*REGBYTES(sp)
    
26.     STORE x30, 18*REGBYTES(sp)
    
27.     STORE x31, 19*REGBYTES(sp)
    
28. #endif /* __riscv_32e */
    
29. .endm

复制代码

按照riscv的数据模型，又分为I数据模型和E数据模型，这部分在riscv的MISA寄存器中有描述。简而言之，E数据模型会比I数据模型少一半的寄存器，E数据模型是专门针对嵌入式应用场景的，更少的寄存器意味着更快速的压栈和出栈，实时性相应会更加优秀。

I数据模型一共有32个寄存器，而E数据模型是16个寄存器。

所以在进行中断入栈的时候，E数据模型会压入10个寄存器。

caller代表中断上层函数可以使用的寄存器，所以

x1,x5,x6,x7,x10,x11,x12,x13,x14,x15

这10个寄存器会保存，上述程序多保存了x4。

下面理解一下中断的处理，通过csrrw ra, CSR_JALMNXTI, ra该指令进行分析。

不难发现，这个是个芯来自定义扩展指令，CSR_JALMNXTI寄存器通过gdb解析可以看到如下的数据

其中0x7ed则是该寄存器的地址。

那么一条指令是如何实现中断的处理的呢？

实际上该指令首先会判断当前eclic中是否有挂起未处理的中断，如果没有，那这条指令向下执行，并不会处理任何事情，一旦存在，那么会跳转到eclic的中断向量的入口，这里便是关键的地方了。

另外需要注意的是，默认进入中断时，保存现场时，此处是关闭中断的，当执行这条语句，中断便会开启，然后判断是否还有中断未响应，这样可以达到中断咬尾的效果。

并且当中断处理函数执行完成后，又会回到该指令执行一次，判断是否还需要处理中断。这一切的行为都是由硬件完成，大大提高中断处理的效率。

现场恢复则是中断处理的逆过程，这里不赘述。


4.关于gd32vf103中断编程模型的理解

对于cortex-m3等处理器来说，riscv的底层模型似乎更加复杂一些，但是实际上弄清楚riscv中断处理模型，eclic中断处理机制，以及向量中断，非向量中断和一条中断处理指令csrrw ra, CSR_JALMNXTI, ra后，也不会觉得十分的难以理解。

玩gd32vf103,其riscv底层汇编级别的中断处理一般都不会太多需要修改的，理解就可以。需要使用好的是eclic配置，还有相关的gpio的中断引脚的配置即可。将中断线、eclic配置完成，具体中断处理函数中实现自己的业务逻辑即可，不需要有许多学习成本。

完