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MIT6.S081
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9.4 在XV6中设置中断

当XV6启动时,Shell会输出提示符“$ ”,如果我们在键盘上输入ls,最终可以看到“$ ls”。我们接下来通过研究Console是如何显示出“$ ls”,来看一下设备中断是如何工作的。
实际上“$ ”和“ls”还不太一样,“$ ”是Shell程序的输出,而“ls”是用户通过键盘输入之后再显示出来的。
对于“$ ”来说,实际上就是设备会将字符传输给UART的寄存器,UART之后会在发送完字符之后产生一个中断。在QEMU中,模拟的线路的另一端会有另一个UART芯片(模拟的),这个UART芯片连接到了虚拟的Console,它会进一步将“$ ”显示在console上。
另一方面,对于“ls”,这是用户输入的字符。键盘连接到了UART的输入线路,当你在键盘上按下一个按键,UART芯片会将按键字符通过串口线发送到另一端的UART芯片。另一端的UART芯片先将数据bit合并成一个Byte,之后再产生一个中断,并告诉处理器说这里有一个来自于键盘的字符。之后Interrupt handler会处理来自于UART的字符。我们接下来会深入通过这两部分来弄清楚这里是如何工作的。
RISC-V有许多与中断相关的寄存器:
  • SIE(Supervisor Interrupt Enable)寄存器。这个寄存器中有一个bit(E)专门针对例如UART的外部设备的中断;有一个bit(S)专门针对软件中断,软件中断可能由一个CPU核触发给另一个CPU核;还有一个bit(T)专门针对定时器中断。我们这节课只关注外部设备的中断。
  • SSTATUS(Supervisor Status)寄存器。这个寄存器中有一个bit来打开或者关闭中断。每一个CPU核都有独立的SIE和SSTATUS寄存器,除了通过SIE寄存器来单独控制特定的中断,还可以通过SSTATUS寄存器中的一个bit来控制所有的中断。
  • SIP(Supervisor Interrupt Pending)寄存器。当发生中断时,处理器可以通过查看这个寄存器知道当前是什么类型的中断。
  • SCAUSE寄存器,这个寄存器我们之前看过很多次。它会表明当前状态的原因是中断。
  • STVEC寄存器,它会保存当trap,page fault或者中断发生时,CPU运行的用户程序的程序计数器,这样才能在稍后恢复程序的运行。
我们今天不会讨论SCAUSE和STVEC寄存器,因为在中断处理流程中,它们基本上与之前(注,lec06)的工作方式是一样的。接下来我们看看XV6是如何对其他寄存器进行编程,使得CPU处于一个能接受中断的状态。
接下来看看代码,首先是位于start.c的start函数。
这里将所有的中断都设置在Supervisor mode,然后设置SIE寄存器来接收External,软件和定时器中断,之后初始化定时器。
接下来我们看一下main函数中是如何处理External中断。
我们第一个外设是console,这是我们print的输出位置。查看位于console.c的consoleinit函数。
这里首先初始化了锁,我们现在还不关心这个锁。然后调用了uartinit,uartinit函数位于uart.c文件。这个函数实际上就是配置好UART芯片使其可以被使用。
这里的流程是先关闭中断,之后设置波特率,设置字符长度为8bit,重置FIFO,最后再重新打开中断。
学生提问:什么是波特率?
Frans教授:这是串口线的传输速率。
以上就是uartinit函数,运行完这个函数之后,原则上UART就可以生成中断了。但是因为我们还没有对PLIC编程,所以中断不能被CPU感知。最终,在main函数中,需要调用plicinit函数。下图是plicinit函数。
PLIC与外设一样,也占用了一个I/O地址(0xC000_0000)。代码的第一行使能了UART的中断,这里实际上就是设置PLIC会接收哪些中断,进而将中断路由到CPU。类似的,代码的第二行设置PLIC接收来自IO磁盘的中断,我们这节课不会介绍这部分内容。
main函数中,plicinit之后就是plicinithart函数。plicinit是由0号CPU运行,之后,每个CPU的核都需要调用plicinithart函数表明对于哪些外设中断感兴趣。
所以在plicinithart函数中,每个CPU的核都表明自己对来自于UART和VIRTIO的中断感兴趣。因为我们忽略中断的优先级,所以我们将优先级设置为0。
到目前为止,我们有了生成中断的外部设备,我们有了PLIC可以传递中断到单个的CPU。但是CPU自己还没有设置好接收中断,因为我们还没有设置好SSTATUS寄存器。在main函数的最后,程序调用了scheduler函数,
scheduler函数主要是运行进程。但是在实际运行进程之前,会执行intr_on函数来使得CPU能接收中断。
intr_on函数只完成一件事情,就是设置SSTATUS寄存器,打开中断标志位。
在这个时间点,中断被完全打开了。如果PLIC正好有pending的中断,那么这个CPU核会收到中断。
以上就是中断的基本设置。
学生提问:哪些核在intr_on之后打开了中断?
Frans教授:任何一个调用了intr_on的CPU核,都会接收中断。实际上所有的CPU核都会运行intr_on函数。