From 92c47de31a9d9c53f42a79d04651e579d3f4d8bc Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: equation314 Date: Thu, 27 Dec 2018 22:59:20 +0800 Subject: [PATCH] aarch64/doc: add interrupt --- docs/2_OSLab/g2/environment.md | 6 +- docs/2_OSLab/g2/interrupt.md | 230 +++++++++++++++++++++++++++++++++ 2 files changed, 233 insertions(+), 3 deletions(-) diff --git a/docs/2_OSLab/g2/environment.md b/docs/2_OSLab/g2/environment.md index 17e972b7..29fb1058 100644 --- a/docs/2_OSLab/g2/environment.md +++ b/docs/2_OSLab/g2/environment.md @@ -48,13 +48,13 @@ * 使用 GDB 调试 ``` - make debug + make debug arch=aarch64 ``` * 反汇编 ``` - make asm + make asm arch=aarch64 ``` * 更多 Makefile 选项 @@ -74,7 +74,7 @@ 2. 写入 RustOS 内核镜像： ``` - make install + make install arch=aarch64 ``` 3. 连接 Raspberry Pi、CP2102 模块与 PC： diff --git a/docs/2_OSLab/g2/interrupt.md b/docs/2_OSLab/g2/interrupt.md index 4f576652..44c03787 100644 --- a/docs/2_OSLab/g2/interrupt.md +++ b/docs/2_OSLab/g2/interrupt.md @@ -1 +1,231 @@ # 中断 + +## AArch64 异常模型 + +> 参考：ARM Architecture Reference Manual ARMv8, for ARMv8-A architecture profile, capture D1.1, D1.7, D1.10, D1.11, D1.13, D1.14, D1.16. + +在 AArch64 中，各种中断被统称为异常(exception)，包括： + +* Reset. +* Interrupts. +* Memory system aborts. +* Undefined instructions. +* Supervisor calls (SVCs), Secure Monitor calls (SMCs), and hypervisor calls (HVCs). +* Debug exceptions. + +这些异常可分为同步异常(synchronous exception)与异步异常(asynchronous exception)两大类： + +* 同步异常：发生在执行一条特定的指令时，包括执行系统调用指令(`svc`、`hvc`)、断点指令(debug exceptions)、Instruction Aborts、Data Aborts 等。 +* 异步异常：发生的时机不确定，又被称为中断(interrupt)，是发送给处理机的信号，包括 SError、IRQ、FIQ 等。 + +### 异常处理 + +当发生异常时，CPU 会根据异常的类型，跳转到特定的地址执行，该地址被称为异常向量(exception vector)。 + +不同类型异常的异常向量通过统一的向量基地址寄存器(Vector Base Address Register, VBAR)加上不同的偏移得到。在 EL1、EL2、EL3 下各有一个 VBAR 寄存器 `VBAR_ELx`。此时异常被分为 4 大类，每一类根据异常来源的不同又可分为 4 类，于是共有 16 个异常向量。 + +4 种类型的异常分别为： + +1. Synchronous exception +2. IRQ (Interrupt Request) +3. FIQ (Fast Interrupt Request) +4. SError (System Error) + +4 种异常来源分为： + +1. Current Exception level with `SP_EL0`. 即发生异常时的异常级别与当前(指跳转到异常向量后)一样，且 `SP = SP_EL0` (`SPsel = 0`)。 +2. Current Exception level with `SP_ELx`, `x>0`. 即发生异常时的异常级别与当前一样，且 `SP = SP_ELx` (`SPsel = 1`)。 +3. Lower Exception level, where the implemented level immediately lower than the target level is using AArch64. 即发生异常时的异常级别低于当前级别，且运行于 AArch64 模式。 +4. Lower Exception level, where the implemented level immediately lower than the target level is using AArch32. 即发生异常时的异常级别低于当前级别，且运行于 AArch32 模式。 + +16 种异常对应的异常向量相对于 VBAR 的偏移如下表所示： + +| Exception taken from | Synchronous | IRQ | FIQ | SError | +|----------------------|-------------|---------|---------|---------| +| CurrentSpEl0 | `0x000` | `0x080` | `0x100` | `0x180` | +| CurrentSpElx | `0x200` | `0x280` | `0x300` | `0x380` | +| LowerAArch64 | `0x400` | `0x480` | `0x500` | `0x580` | +| LowerAArch32 | `0x600` | `0x680` | `0x700` | `0x780` | + +如果该异常是 Synchronous 或 SError，异常症状寄存器(Exception Syndrome Register, ESR)将被设置，用于记录具体的异常类别 EC (exception class) 与 ISS (Instruction Specific Syndrome)。在 EL1、EL2、EL3 下各有一个 ESR 寄存器 `ESR_ELx`。具体的 EC、ISS 编码见官网文档 ARMv8 Reference Manual D1.10.4 节。 + +### 异常屏蔽 + +某些异常可以被屏蔽(mask)，即发生时不跳转到相应的异常向量。可被屏蔽的异常包括所有异步异常与调试时的同步异常(debug exceptions)，共 4 种，分别由 `DAIF` 4 个位控制： + +1. `D`: Debug exception +2. `A`: SError interrupt +3. `I`: IRQ interrupt +4. `F`: FIQ interrupt + +可通过设置 `SPSR_ELx`、`DAIF`、`DAIFSet` 、`DAIFClr` 等特殊目的寄存器(special-purpose registers)中相应的位来选择屏蔽或取消屏蔽相应的异常。 + +### 异常返回 + +当发生异常时，异常返回地址会被设置，保存在异常链接寄存器(Exception Link Register, ELR) `ELR_ELx` 中。 + +异常返回使用 `eret` 指令完成。当异常返回时，`PC` 会根据当前特权级被恢复为 `ELR_ELx` 中的，`PSTATE` (process state)也会被恢复为 `SPSR_ELx` 中的。`PSTATE` 是当前进程状态信息的抽象，保存在 `SPSR_ELx` 中，包含条件标志位 `NZCV`、异常屏蔽位 `DAIF`、当前特权级等信息。如果修改了 `SPSR_ELx` 中相应的位并进行异常返回，就能实现异常级别切换、异常开启/屏蔽等功能。 + +### 系统调用 + +一般使用 `svc` 指令(supervisor call)完成，将触发一个同步异常。 + +## RustOS 中的实现 + +中断部分的代码主要位于 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/` 中。 + +### 异常启用与屏蔽 + +在 `interrupt/mod.rs` 中使用了 `DAIFClr` 与 `DAIFSet` 特殊目的寄存器分别实现了异常的启用与屏蔽(仅针对 IRQ)，分别为 `enable()` 与 `disable()` 函数，代码如下： + +```rust +/// Enable the interrupt (only IRQ). +#[inline(always)] +pub unsafe fn enable() { + asm!("msr daifclr, #2"); +} + +/// Disable the interrupt (only IRQ). +#[inline(always)] +pub unsafe fn disable() { + asm!("msr daifset, #2"); +} +``` + +此外，也可在中断返回前通过修改保存的 `SPSR` 寄存器启用或屏蔽中断，详见 `interrupt/context.rs` 中的 `TrapFrame::new_kernel_thread()` 与 `TrapFrame::new_user_thread()` 函数。 + +### 异常向量 + +全局符号 `__vectors` 定义了异常向量基址，并在 `interrupt/mod.rs` 的 `init()` 函数中通过 `msr vbar_el1, x0` 指令，将 `VBAR_EL1` 设为了 `__vectors`。 + +16 个异常向量分别通过宏 `HANDLER source kind` 定义在 `interrupt/vector.S` 中，代码如下： + +```armasm +.macro HANDLER source kind + .align 7 + stp lr, x0, [sp, #-16]! + mov x0, #\source + movk x0, #\kind, lsl #16 + b __alltraps +.endm +``` + +不同的异常向量对应的异常处理例程结构相同，仅有 `source` 和 `kind` 不同。`source` 与 `kind` 将会被合并成一个整数并存到寄存器 `x0` 中，以便作为参数传给 Rust 编写的异常处理函数。 + +由于不同异常向量的间距较少(仅为 `0x80` 字节)，所以不在 `HANDLER` 中做细致的处理，而是统一跳转到 `__alltraps` 中进行处理。 + +### 异常处理 + +统一异常处理例程 `__alltraps` 的代码如下： + +```armasm +.global __alltraps +__alltraps: + SAVE_ALL + + # x0 is set in HANDLER + mrs x1, esr_el1 + mov x2, sp + bl rust_trap + +.global __trapret +__trapret: + RESTORE_ALL + eret +``` + +流程如下： + +1. 首先通过宏 `SAVE_ALL` 保存各寄存器，构成 `TrapFrame`； +2. 然后构造函数参数 `x0`、`x1`、`x2`，分别表示异常类型、异常症状 `ESR`、`TrapFrame`，并调用 Rust 异常处理函数 `rust_trap()`； +3. 当该函数返回时，通过宏 `RESTORE_ALL` 从 `TrapFrame` 中恢复各寄存器； +4. 最后通过 `eret` 指令进行异常返回。 + +`TrapFrame` 定义在 `interrupt/context.rs` 中，结构如下： + +```rust +pub struct TrapFrame { + pub elr: usize, + pub spsr: usize, + pub sp: usize, + pub tpidr: usize, // currently unused + // pub q0to31: [u128; 32], // disable SIMD/FP registers + pub x1to29: [usize; 29], + pub __reserved: usize, + pub x30: usize, // lr + pub x0: usize, +} +``` + +目前保存的寄存器包括：通用寄存器 `x0~x30`、异常返回地址 `ELR`、栈指针 `SP`、进程状态 `SPSR`。由于在 `aarch64-blog_os.json` 中禁用了 `NEON` 指令，不需要保存 `q0~q31` 这些 SIMD/FP 寄存器。 + +`rust_trap()` 函数定义在 `interrupt/handler.rs` 中。首先判断传入的 `kind`： + +* 如果是 `Synchronous`：在 `interrupt/syndrome.rs` 中解析 `ESR`，根据具体的异常类别分别处理断点指令、系统调用、缺页异常等。 +* 如果是 `IRQ`：调用 `handle_irq()` 函数处理 IRQ。 +* 其他类型的异常(SError interrupt、Debug exception)暂不做处理，直接调用 `crate::trap::error()`。 + +#### 系统调用 + +如果 `ESR` 的异常类别是 `SVC`，则说明该异常由系统调用指令 `svc` 触发，紧接着会调用 `handle_syscall()` 函数。 + +RustOS 的系统调用方式如下(实现在 `user/ucore-lib/src/syscall.rs` 中)： + +* 将系统调用号保存在寄存器 `x8`，将 6 参数分别保存在寄存器 `x0~x5` 中； +* 执行系统调用指令 `svc 0`； +* 系统调用返回值保存在寄存器 `x0` 中。 + +在 `handle_syscall()` 函数中，会从 `TrapFrame` 保存的寄存器中恢复系统调用参数，并调用 `crate::syscall::syscall()` 进行具体的系统调用。 + +#### 缺页异常 + +缺页异常只会在 MMU 启用后，虚拟地址翻译失败时产生，这时候根据是取指还是访存，分别触发 Instruction Abort 与 Data Abort。此时 ISS 中还记录了具体的状态码，例如： + +* Address size fault, level 0~3. +* Translation fault, level 0~3. +* Access flag fault, level 0~3. +* Permission fault, level 0~3. +* Alignment fault. +* TLB conflict abort. +* ... + +其中 level 表示在第几级页表产生异常。当状态码是 translation fault、access flag fault、permission fault 时，将被判断为是缺页异常，并调用 `handle_page_fault()` 处理缺页异常。 + +发生 Instruction Abort 与 Data Abort 的虚拟地址将会被保存到 `FAR_ELx` 系统寄存器中。此时再调用 `crate::memory::page_fault_handler(addr)` 来做具体的缺页处理。 + +#### IRQ + +如果该异常是 IRQ，则会调用 `kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/irq.rs` 中的 `handle_irq()` 函数。该函数与 board 相关，即使都是在 aarch64 下，不同 board 的 IRQ 处理方式也不一样，所以放到了 `kernel/src/arch/board/raspi3` 中，表示是 RPi3 特有的 IRQ 处理方式。 + +该函数首先会判断是否有时钟中断，如果有就先处理时钟中断： + +```rust +let controller = bcm2837::timer::Timer::new(); +if controller.is_pending() { + super::timer::set_next(); + crate::trap::timer(); +} +``` + +其中使用了 crate `bcm2837`，位于 `crate/bcm2837` 中，是一个封装良好的访问 RPi3 底层外围设备的库。 + +然后会遍历所有其他未处理的 IRQ，如果该 IRQ 已注册，就调用它的处理函数： + +```rust +for int in Controller::new().pending_interrupts() { + if let Some(handler) = IRQ_HANDLERS[int] { + handler(); + } +} +``` + +IRQ 的注册可通过调用 `register_irq()` 函数进行，实现如下： + +```rust +pub fn register_irq(int: Interrupt, handler: fn()) { + unsafe { + *(&IRQ_HANDLERS[int as usize] as *const _ as *mut Option) = Some(handler); + } + Controller::new().enable(int); +} +```