嵌入式IoT[02]_从riscv底层原理分析gd32vf103的中断行为
本帖最后由 草帽王子 于 2021-5-18 15:49 编辑从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
/*
* Intialize ECLIC vector interrupt
* base address mtvt to vector_base
*/
la t0, vector_base
csrw CSR_MTVT, t0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。
.globl vector_base
.type vector_base, @object
vector_base:
#if defined(DOWNLOAD_MODE) && (DOWNLOAD_MODE != DOWNLOAD_MODE_FLASH)
j _start /* 0: Reserved, Jump to _start when reset for ILM/FlashXIP mode.*/
.align LOG_REGBYTES /* Need to align 4 byte for RV32, 8 Byte for RV64 */
#else
DECLARE_INT_HANDLER default_intexc_handler /* 0: Reserved, default handler for Flash download mode */
#endif
DECLARE_INT_HANDLER default_intexc_handler /* 1: Reserved */
DECLARE_INT_HANDLER default_intexc_handler /* 2: Reserved */
DECLARE_INT_HANDLER eclic_msip_handler /* 3: Machine software interrupt */
DECLARE_INT_HANDLER default_intexc_handler /* 4: Reserved */
DECLARE_INT_HANDLER default_intexc_handler /* 5: Reserved */
.
.
.
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
/*
* Set ECLIC non-vector entry to be controlled
* by mtvt2 CSR register.
* Intialize ECLIC non-vector interrupt
* base address mtvt2 to irq_entry.
*/
la t0, irq_entry
csrw CSR_MTVT2, t0
csrs CSR_MTVT2, 0x1
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 = 1 mtvt2为0时，中断入口使用mtvec寄存器，mtvt2为1时，中断入口为mtvt2。
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。
.global irq_entry
/* This label will be set to MTVT2 register */
irq_entry:
/* Save the caller saving registers (context) */
SAVE_CONTEXT
/* Save the necessary CSR registers */
SAVE_CSR_CONTEXT
/* This special CSR read/write operation, which is actually
* claim the CLIC to find its pending highest ID, if the ID
* is not 0, then automatically enable the mstatus.MIE, and
* jump to its vector-entry-label, and update the link register
*/
csrrw ra, CSR_JALMNXTI, ra
/* Critical section with interrupts disabled */
DISABLE_MIE
/* Restore the necessary CSR registers */
RESTORE_CSR_CONTEXT
/* Restore the caller saving registers (context) */
RESTORE_CONTEXT
/* Return to regular code */
mret
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。
.macro SAVE_CONTEXT
csrrw sp, CSR_MSCRATCHCSWL, sp
/* Allocate stack space for context saving */
#ifndef __riscv_32e
addi sp, sp, -20*REGBYTES
#else
addi sp, sp, -14*REGBYTES
#endif /* __riscv_32e */
STORE x1, 0*REGBYTES(sp)
STORE x4, 1*REGBYTES(sp)
STORE x5, 2*REGBYTES(sp)
STORE x6, 3*REGBYTES(sp)
STORE x7, 4*REGBYTES(sp)
STORE x10, 5*REGBYTES(sp)
STORE x11, 6*REGBYTES(sp)
STORE x12, 7*REGBYTES(sp)
STORE x13, 8*REGBYTES(sp)
STORE x14, 9*REGBYTES(sp)
STORE x15, 10*REGBYTES(sp)
#ifndef __riscv_32e
STORE x16, 14*REGBYTES(sp)
STORE x17, 15*REGBYTES(sp)
STORE x28, 16*REGBYTES(sp)
STORE x29, 17*REGBYTES(sp)
STORE x30, 18*REGBYTES(sp)
STORE x31, 19*REGBYTES(sp)
#endif /* __riscv_32e */
.endm
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
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