循序渐进，学习开发一个RISC-V 上的操作系统

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#学习 #risc-v

于 2022-09-23 11:41:15 首次发布

第 10 章 Trap

控制流（Control Flow）和 Trap

RISC-V Trap 处理中涉及的寄存器（Machine模式下）

mtvec 保存异常发生时处理器需要跳转的地址

BASE trap入口函数的基地址长度为寄存器长度-2（读地址时，最后两位就用00填充，达到4字节对齐的效果）
MODE 0表示direct方式，trap发生之后，PC直接跳转到BASE指定的地址处；
MODE 1表示Vectored方式，trap发生后，PC = BASE + 4 * cause （cause表示中断的原因），Vectored相当于一个索引表，每个索引项都是一个j指令，跳转至相应的处理函数。PC先直接定位到相应的索引项，再执行j指令跳转到处理函数。
Vector方式适用于中断发生频繁，要求处理速度快的情况。

mcause 表示trap的种类

Interrupt 0表示异常 1表示中断
Exception Code 表示具体的种类（查表）

mstatus 用来描述状态信息

xIE控制全局中断使能
xPIE保存trap之前的xIE的状态
xPP保存trap发生之前的权限级别注意只有MPP 和 SPP 因为trap都是低权限(U/S) 向高权限跳转（M/S）没有trap会跳到User模式

RISC-V Trap 处理流程

1、Trap初始化

将trap_vector (即trap处理函数)写进mtvec寄存器中，准备跳转时用

2、Trap的Top Half

这部分由hart自动执行，本项目中讨论的是Machine模式下发生的Trap

因此将mstatus的MIE值赋值给MPIE中，清楚MIE标志位（关中断使能）

设置mepc的值，异常时设置为当前PC值，中断时设置为触发中断指令的下一条指令的PC

同时将PC设置为mtvec（在trap初始化时设置为了trap_vector）

根据trap的种类设置mcause 并根据有需要设置mtval(补充信息）

把trap之前的权限模式保存在mstatus中的MPP中，再把hart权限模式改为M （在任何Level下触发Trap，首先切换到Machine模式）

3、Trap的Bottom Half

经过前两步操作，最终跳转到trap_vector来执行。

首先需要保存上下文信息。然后将mepc 和macuse当成两个函数参数调用trap_handler
trap_handler 运行完之后，恢复上下文信息，再调用MRET 返回Trap之前的状态。
trap_handler 返回的值存在a0寄存器中是之前mepc的值(异常)或者是mepc + 4(中断)，然后将a0的值再次赋值给mepc ，相当于对mepc进行更新了，后面mret指令需要使用mepc的值。

reg_t trap_handler(reg_t epc, reg_t cause)
{
	reg_t return_pc = epc;
	reg_t cause_code = cause & 0xfff;
	
	if (cause & 0x80000000) {
		/* Asynchronous trap - interrupt */
		switch (cause_code) {
		case 3:
			uart_puts("software interruption!\n");
			break;
		case 7:
			uart_puts("timer interruption!\n");
			break;
		case 11:
			uart_puts("external interruption!\n");
			break;
		default:
			uart_puts("unknown async exception!\n");
			break;
		}
	} else {
		/* Synchronous trap - exception */
		printf("Sync exceptions!, code = %d\n", cause_code);
		panic("OOPS! What can I do!");
		//return_pc += 4;
	}

	return return_pc;
}

传进来的两个参数分别是mepc 和 mcause， mcause的低12位表示了trap的具体类型，最高位表示中断或异常。这里给出了中断类型中3，7，11的“处理方式”。

如果是中断的话，这个处理函数的return_pc应该要+4 才可以在返回时跳转到触发中断的下一条指令。

运行结果：

在trap_test中触发的trap类型是内存访问异常。*(int *)0x00000000 = 100; 0x00000000不在可访问内存范围中。可访问内存从0x80000000开始。

void trap_test()
{
	/*
	 * Synchronous exception code = 7
	 * Store/AMO access fault
	 */
	*(int *)0x00000000 = 100;

	/*
	 * Synchronous exception code = 5
	 * Load access fault
	 */
	//int a = *(int *)0x00000000;

	uart_puts("Yeah! I'm return back from trap!\n");
}