文章目錄

• 控制流 （Control Flow）和Trap
• RISC-V Trap處理中涉及的寄存器
• • mtvec (Machine Trap-Vector Base-Address)
  • mepc (Machine Exception Program Counter)
  • mcause (Machine Cause)
  • mstatus (Machine Status)
  • 中斷與異常含義
• RISC-V Trap處理流程
• • Top Half（Trap發(fā)生時，Hart自動執(zhí)行流）
  • Bottom Half（軟件需要做的事情）
  • 退出 trap：編程調用 MRET 指令

控制流 （Control Flow）和Trap

• 控制流（Control Flow）
  • branch（條件分支指令）, jump （無條件跳轉指令），由程序正常自主控制的流程
• 異常控制流 （Exceptional Control Flow，簡稱 ECP, 又稱Trap）
  • 不在程序的控制范圍之內
  • exception
  • interrupt

RISC-V Trap處理中涉及的寄存器

八個控制狀態(tài)寄存器(CSR)是機器模式下異常處理的必要部分:

• mtvec(Machine Trap Vector)它保存發(fā)生異常時處理器需要跳轉到的地址。
• mepc(Machine Exception PC)它指向發(fā)生異常的指令。
• mcause(Machine Exception Cause)它指示發(fā)生異常的種類。
• mie(Machine Interrupt Enable)它指出處理器目前能處理和必須忽略的中斷。
• mip(Machine Interrupt Pending)它列出目前正準備處理的中斷。
• mtval(Machine Trap Value)它保存了陷入(trap)的附加信息:地址例外中出錯
• 的地址、發(fā)生非法指令例外的指令本身,對于其他異常,它的值為 0。
• mscratch(Machine Scratch)它暫時存放一個字大小的數(shù)據(jù)。
• mstatus(Machine Status)它保存全局中斷使能,以及許多其他的狀態(tài),如圖

mtvec (Machine Trap-Vector Base-Address)

• BASE: trap入口函數(shù)的及地址，必須保證四字節(jié)對其
• MODE: 進一步用于控制入口函數(shù)的地址配置方式
  • Direct: 所有的exception和interrupt發(fā)生后pc都跳轉到BASE指定的地址處。其實就是一個中斷處理函數(shù)。
  • Vectored: exception處理方式同Direct；但interrupt的入口地址以數(shù)組方式排列。其實就是多向量指向不同的中斷處理函數(shù)。

mepc (Machine Exception Program Counter)

• 當trap發(fā)生時，pc會被替換為mtvec設定的地址，同時hart會設置mepc為當前指令或者下一條指令的地址（如果是異常則設置當前指令，如果是中斷則設置下一條指令的地址），當我們需要退出trap時可以調用特殊的mret指令，該指令會將mepc中的值恢復到pc中（實現(xiàn)返回的效果）。
• 在處理trap的程序中我們可以修改mepc的值達到改變mret返回地址的目的。

mcause (Machine Cause)

• 當trap發(fā)生時，hart會設置該寄存器通知我們trap發(fā)生的原因。
• 最高位Interrupt為1時標識了當前trap為interrupt，否則是exception。通過此標識能快速分辨發(fā)生了中斷還是異常。
• 剩余的Exception Code用于標識具體的interrupt或者exception的種類。
• WLRL(Write/Read Only Legal Values)

mstatus (Machine Status)

• MIE: 分別用于打開(1)或者關閉(0) M/S/U模式下的全局中斷。當trap發(fā)生時，hart會自動將MIE設置為0。
• MPIE: 當trap發(fā)生時用于保存trap發(fā)生之前的MIE值。
• MPP: 當trap發(fā)生時用于保存trap發(fā)生之前的權限級別值。M/S/U三種模式用兩個bit表示。

中斷與異常含義

RISC-V Trap處理流程

Trap初始化（設置入口地址等）-> Trap的Top Half（硬件處理過程）-> Trap的Bottom Half（軟件邏輯部分）-> 從Trap返回

Top Half（Trap發(fā)生時，Hart自動執(zhí)行流）

• 先把 mstatus 的MIE值復制到MPIE中，清除 mstatus 中的MIE標志位，效果是中斷被禁止。（這就是硬件上不支持中斷嵌套，但可以手動將中斷再次打開實現(xiàn)中斷嵌套）
• 設置 mepc,同時PC被設置為 mtvec。（需要注意的是，對于 exception， mepc 指向導致異常的指令；對于 interrupt，它指向被中斷的指令的下一條指令。）
• 根據(jù) trap 的種類設置 mcausem，并根據(jù)需要為 mtval 設置附加信息。
• 將 trap發(fā)生之前的權限模式保存在 mstatus 的 MPP 域中，再把 hart 權限模式更改為M（也就是說無論在任何 Level 下觸發(fā) trap, hart首先切換到 Machine 模式）

Bottom Half（軟件需要做的事情）

• 保存（save） 當前控制流的上下文信息，是指保存x1~x31寄存器的值。（利用 mscratch）
• 調用C語言的trap handler
• 中斷C程序執(zhí)行完畢之后從trap handler函數(shù)返回，mepc的值可能需要調整。
• 恢復 （restore）上下文的信息。
• 執(zhí)行 MRET指令返回到trap之前的狀態(tài)。

退出 trap：編程調用 MRET 指令

• 針對不同權限級別下有各自退出trap的返回指令xRET (x=M/S/U)
• 以在M模式下指令mret指令為例，會執(zhí)行開中斷（mstatus.MIE = mstatus.MPIE; mstatus.MPIE = 1），然后返回進入trap之前的指令，如果是中斷的話返回進入trap之前的下一條指令。（pc = mepc）

portASM.S /*-----------------------------------------------------------*/.section .text.freertos_risc_v_trap_handler .align 8 freertos_risc_v_trap_handler:portcontextSAVE_CONTEXT_INTERNALcsrr a0, mcausecsrr a1, mepcbge a0, x0, synchronous_exceptionasynchronous_interrupt:store_x a1, 0( sp ) /* Asynchronous interrupt so save unmodified exception return address. */load_x sp, xISRStackTop /* Switch to ISR stack. */j handle_interruptsynchronous_exception:addi a1, a1, 4 /* Synchronous so update exception return address to the instruction after the instruction that generated the exeption. */store_x a1, 0( sp ) /* Save updated exception return address. */load_x sp, xISRStackTop /* Switch to ISR stack. */j handle_exceptionhandle_interrupt: #if( portasmHAS_MTIME != 0 )test_if_mtimer: /* If there is a CLINT then the mtimer is used to generate the tick interrupt. */addi t0, x0, 1slli t0, t0, __riscv_xlen - 1 /* LSB is already set, shift into MSB. Shift 31 on 32-bit or 63 on 64-bit cores. */addi t1, t0, 7 /* 0x8000[]0007 == machine timer interrupt. */bne a0, t1, application_interrupt_handlerportUPDATE_MTIMER_COMPARE_REGISTERcall xTaskIncrementTickbeqz a0, processed_source /* Don't switch context if incrementing tick didn't unblock a task. */call vTaskSwitchContextj processed_source#endif /* portasmHAS_MTIME */application_interrupt_handler:call freertos_risc_v_application_interrupt_handlerj processed_sourcehandle_exception:/* a0 contains mcause. */li t0, 11 /* 11 == environment call. */bne a0, t0, application_exception_handler /* Not an M environment call, so some other exception. */call vTaskSwitchContextj processed_sourceapplication_exception_handler:call freertos_risc_v_application_exception_handlerj processed_source /* No other exceptions handled yet. */processed_source:portcontextRESTORE_CONTEXT /*-----------------------------------------------------------*/

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【RISC-V】Trap和Exception的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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