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实验二 中断🚁

完成单周期 CPU 实验后，你获得了一个可以简单的按照预期指令执行的处理器。但是这个简单的 CPU 只能按照预先的程序指令一直运行，无法中途打断。然而，我们生活的世界充满了不确定性，一个实用的 CPU 需要能够时刻准备好处理来自外部的事件，及时处理中断，并返回到原来的程序中继续执行。

在本实验中，你将学习到：

  • CSR 寄存器以及其操作命令
  • 中断控制器的原理和设计
  • 编写一个简单的定时中断发生器

下面的内容中，不管使用 IDE 还是执行命令，根目录是 lab2 文件夹。

CSR指令支持🚁

从预备知识中断与异常我们已经学习到了 CSR 寄存器的基本概念。本实验里我们在单周期 CPU 的基础上增加对 CSR 寄存器的操作指令的支持。

CSR相关操作指令集的细节，包括指令的语义，编码等，都可以通过阅读非特权集手册的第九章获得。 中断相关的具体CSR寄存器的内容与对应含义，请查阅特权级手册

有了实现单周期 CPU 的经验，我们可以把对 CSR 指令的支持分解为：

  • CSR 寄存器组：CSR 寄存器是一组类似于 RegisterFile 寄存器组的，地址空间大小为 4096 字节，独立编址的寄存器。 从指令手册可以看到对CSR寄存器的操作都是原子读写的，CSR指令具体的语义请查阅手册。 CSR寄存器组需要根据ID模块译码后给出的控制信号和CSR寄存器地址，来对内部寄存器进行寻址，获取其内容并且修改。
  • ID 译码单元：ID 译码单元需要识别 CSR 指令，根据手册里描述的指令语义和编码规范，产生相应的传给其它模块的控制信号与数据。
  • EX 执行单元：CSR 指令都是原子读写的，即一条指令的执行结果中，既要把目标 CSR 寄存器原来的内容写入到目标通用寄存器中，还要按指令语义把从目标 CSR 寄存器读出来的内容修改之后再写回给该CSR 寄存器。此时 EX 里面的 ALU 单元是空闲的，要得到写入 CSR 寄存器的值，可以复用 ALU，也可以不复用。
  • WB 写回单元：支持 CSR 相关操作指令后，写回到目标通用寄存器的数据来源就多了一个从目标 CSR 寄存器读出来的修改前的值。

中断控制器（CLINT）🚁

CLINT（Core-Local Interrupt）是 RISC-V 架构中提供简单中断和定时器功能的中断处理器，其在中断或异常发生且中断开启时，将暂停CPU当前执行流，设置好相关 CSR 寄存器信息后跳转到中断处理程序中执行中断处理程序。

关键就是该保存哪些信息到对应的CSR寄存器中，答案就是 CPU 执行完当前指令后的下一个状态，比如当前指令是跳转指令，那么 mepc 保存的应该是当前跳转指令的跳转目标地址；以及一些关于中断发生原因的信息。

本实验中，我们希望实现一个支持基本功能的、简单的 CLINT，对于一些特殊情况我们规定：

  1. 中断到来时，我们认为应该让当前指令执行完后，再跳转到中断处理程序。
  2. mstatus 的 mie位（machine interrupt enable）记录中断使能，即是否响应中断。如果当前正在执行一条指令以关闭中断使能，但此刻发生外部中断，则规定这种情况不应响应中断。
  3. 我们不考虑嵌套中断的情况，即中断处理过程中忽略到来的中断。
  4. 仅考虑在 Machine 特权级下的情况。

接下来，我们讨论 CLINT 要处理的情况，包括 进入中断处理 和 完成中断处理。

进入中断处理🚁

1. 响应硬件中断🚁

此处将外部设备和定时器的中断归为一类讨论。响应硬件中断时，CPU的工作具体分为两部分：

保存现场，记录CPU当前正在执行程序的下一条指令地址，以便中断处理后恢复执行；以及记录中断信息和设置相应权限。这对应了下面 CSR 上的操作：

  • mepc：保存的是中断或者异常处理完成后，CPU返回并开始执行的地址。所以对于异常和中断，mepc 的保存内容需要注意。
  • mcause：保存的是导致中断或者异常的原因，具体代码请查阅特权级手册。
  • mstatus：在响应中断时，需要将 mstatus 寄存器中的 MPIE 标志位设置为 0，禁用中断。

然后从 mtvec 获取中断处理程序的地址，跳转到该地址执行中断处理程序。

扩展知识：操作系统与硬件配合处理中断

事实上，中断的处理需要操作系统和硬件的紧密配合。在中断发生前，操作系统就要将中断处理程序写入内存并设置中断跳转向量到 mtvec 。 中断发生时，CPU保存现场并设置中断信息，操作系统还需保存进程上下文并进行资源调度等工作，完成中断处理也类似。 后续操作系统课程中你将对此有更全面深入的了解。

2. 响应软件中断🚁

ecall 和 ebreak 指令是触发软件中断的两条 environment 指令。ecall 常用于系统调用，例如请求磁盘读写，ebreak 更多用于调试。 详见非特权级手册第2章的 Environment Call and Breakpoints 。

这两条指令都将触发中断，CSR 的设置操作与响应硬件中断的相似。不同的是，mcause 的设置应参照 environment 相应的代码设置。

完成中断处理🚁

不论任何原因进入到中断处理程序后，都需要使用 mret 指令以恢复 CPU 原先程序的执行。 这时候其实干的事与响应中断是大致相同的，只不过需要写入的寄存器只有 mstatus，跳转的目标地址则是从 mepc 获取。

为简单起见，对于 mret 时 mstatus 的要写入的值，就把 MIE 位置为 MPIE 位（Machine Previous Interrupt Enable）。若 MPIE 为 1 的话 mret 就会恢复中断，如果 MPIE 为 0 的话，mret 则不改变 mstatus 的值。

上述实现没有考虑嵌套中断，且以后实现特权级切换的时侯，mstatus 的改变更为复杂。中断的实现在手册中有明确的标准，想进一步了解中断机制的实现可以看特权级手册的 3.1.6.1 小节（Privilege and Global Interrupt-Enable Stack in mstatus register） 以及 9.6节（Traps）。

而异常的现场保存和恢复与中断处理差不多，只不过保存和恢复的内容上有所不同而已，感兴趣的同学可以自行摸索。

关于 CLINT 的实现🚁

CLINT 具体的实现方法很多，我们采用纯组合逻辑实现这个中断控制器。由于基于单周期 CPU 且 CLINT 是组合逻辑，所以外部中断到来时，CLINT 会马上响应。 目前 YatCPU 的主仓库的多周期CPU中的 CLINT 采用状态机来实现。

CLINT 需要一个周期就把多个寄存器的内容修改的功能，而正常的 CSR 指令只能对一个寄存器读-修改-写（Read-Modify-Write, RMW）。所以 CLINT 和 CSR 之间有独立的优先级更高的通路，用来快速更新 CSR 寄存器的值。

简单的定时中断发生器🚁

我们要实现一个 MMIO 的定时中断发生器——Timer。

MMIO （Memory Mapped I/O）简单来说就是：该外设用来和 CPU 交互的寄存器是与内存一起编址的，所以 CPU 可以通过访存指令（load/store）来修改这些寄存器的值，从而达到 CPU 和外设交互的目的。

目前在没有实现总线的情况下，使用多路选择器实现 MMIO 即可达到目的。原因主要是我们把取指令的操作和 load/store 访存操作分开了，让 Memory 有单独的一个通路进行取指令操作。 因此我们的模型还是一个 CPU 对多个外围设备，不会出现 CPU 的取指操作与访存操作冲突争抢外设的情况。

所以我们 CPU 发出的逻辑地址要发送到哪个设备，就由逻辑地址的高位作为外围设备的位选信号即可，低位则用于设备内部的寻址。

此外还有定时中断发生器的内部逻辑：两个控制寄存器 enable 寄存器和 limit 寄存器。

  • enable 寄存器用来控制定时中断发生器的使能，为 false 则不产生中断， 映射到地址空间的逻辑地址为 0x80000008。
  • limit 寄存器用来控制定时器的中断发生间隔，映射到地址空间的逻辑地址为 0x80000004。中断发生器内部有一个加一计数器，当计数器的值到达 limit 为标准的界限时，定时器会发生一次中断信号（enable 使能情况下）。注：产生中断信号的时长没有太大关系，但是至少应该大于一个 CPU 时钟周期，确保 CPU 能够正确捕捉到该信号即可。

实验任务🚁

实验任务：支持中断处理

  1. 使 EX 单元支持 CSR 指令的运算。
  2. 使 CSR 寄存器组支持 CLINT 和来自 CSR 指令的读写操作。
  3. 使 CLINT 支持响应中断并且在中断结束后回到原来的执行流。
  4. 使定时中断发生器可以正确产生中断信号，并且实现 Timer 寄存器的 MMIO。

请在 // lab2(CLINTCSR) 注释处完成上述支持，并通过 CPUTest、ExecuteTest、CLINTCSRTest、TimerTest 测试。

EX 执行单元的代码文件位于 src/main/scala/riscv/core/Execute.scala

CSR 寄存器组的代码文件位于 src/main/scala/riscv/core/CSR.scala

CLINT 的代码文件位于 src/main/scala/riscv/core/CLINT.scala

Timer 的代码位于 src/main/scala/peripheral/Timer.scala

Tip

IDEA 可以双击 shift，vscode 可以 shift+P 以打开文件快速搜索面板。

CPU架构图🚁

实验报告🚁

  1. CLINTCSRTest.scala 中添加了 CLINT 处理硬件终端和软件中断的两个测试，请您选择至少一个，并：
    1. 简述这个测试通过给部件输入什么信号，以测试 CLINT 的哪些功能？
    2. 在测试波形图上，找到一次从开始处理中断到中断处理完成的波形图，并挑选其中关键的信号说明其过程。例如硬件中断的测试中，有在跳转指令和非跳转指令下的两次中断处理测试；软件中断则分别测试了 ecall 和 ebreak 两次中断，选择其中一次即可。
  2. CPUTest.scala 中新增了 SimpleTrapTest，其执行 csrc/simpletest.c 的程序。请您：
    1. 简述该测试程序如何测试 CPU 的中断处理正确性。
    2. 在测试波形图上找出说明该程序成功执行的信号。
  3. 说明您在完成实验的过程中，遇到的实验指导不足或改进建议。