RISC-V异常处理流程概述(2):异常处理机制

一、异常处理流程和异常委托

1.1 异常处理流程

发生异常时,首先需要执行 trap 流程:

  • 切换到对应的特权模式以处理该 trap。检查 medeleg 寄存器中的相应位,以判断是直接 trap 进 S 模式还是 M 模式。
  • 设置 [m/s]status 中的 xPP,xPIE,xIE 等字段。

并设置相关 CSR 的值:

  • 将 [m/s]epc 设为导致异常的指令对应的 PC 值。
  • 在 [m/s]tval 中存储有关的信息。
  • 设置 [m/s]cause寄存器的值。 随后读出 [m/s]tvec 中的值,并根据这个值跳转到 trap 处理程序。

在这里插入图片描述
这里不过多分析异常处理过程中硬件寄存器的变化,需要注意的是,在执行异常处理程序时,会进行上下文环境的切换和保存,在执行完异常处理程序后,会通过【m/s】ret指令来退出异常处理程序,接下来会进行恢复异常前程序流的相关操作,最终会跳转到【m/s】pec中保存的地址执行

1.2 异常委托

在默认的情况下,无论在什么模式下发生异常,都会将控制权交到M模式的异常处理程序,但是Linux系统多数异常都在S模式下进行系统调用。此时,会将M 模式的异常处理程序可以将异常重新导向 S 模式,但这些额外的操作会减慢大多数异常的处理速度。因此,RISC-V 提供了一种异常委托机制。通过该机制可以选择性地将异常交给 S 模式处理,而完全绕过 M 模式。

这种委托机制的实现主要通过:medeleg(Machine Exception Delegation,机器同步异常委托)和 mideleg(Machine Interrupt Delegation,机器中断委托)分别控制将哪些同步异常和中断委托给 S 模式,mret 指令则将 trap 交给其它特权模式处理。

委托给 S 模式的任何异常都可以被 S 模式屏蔽。sie(Supervisor Interrupt Enable,监管者中断使能)和 sip(Supervisor Interrupt Pending,监管者中断待处理)是 S 模式的控制状态寄存器,它们是 mie 和 mip 的子集。它们有着和 M 模式下相同的布局,但在 sie 和 sip 中只有由 mideleg 委托的中断对应的位才能读写,那些没有被委派的中断对应的位始终为 0。

注:发生异常时控制权都不会移交给权限更低的模式。在 M 模式下发生的异常总是在 M 模式下处理。在 S 模式下发生的异常,根据具体的委派设置,可能由 M 模式或 S 模式处理,但永远不会由 U 模式处理。

二、RISC-V异常处理中软件相关内容

2.1 异常处理准备工作

这里需要特殊强调的是异常处理构建的相关内容:
这里会将a4寄存器中的值存储到CSR_MTVEC这个状态寄存器,也就是异常处理程序的的入口;如果遇到异常、中断时,硬件会自动找到_trap_handler

	/* Setup trap handler */
	la	a4, _trap_handler
#if __riscv_xlen == 32
	csrr	a5, CSR_MISA
	srli	a5, a5, ('H' - 'A')
	andi	a5, a5, 0x1
	beq	a5, zero, _skip_trap_handler_rv32_hyp
	la	a4, _trap_handler_rv32_hyp
#endif
	csrw	CSR_MTVEC, a4

	.section .entry, "ax", %progbits
	.align 3
	.globl _trap_handler
_trap_handler:
	TRAP_SAVE_AND_SETUP_SP_T0

	TRAP_SAVE_MEPC_MSTATUS 0

	TRAP_SAVE_GENERAL_REGS_EXCEPT_SP_T0

	TRAP_CALL_C_ROUTINE

	TRAP_RESTORE_GENERAL_REGS_EXCEPT_SP_T0

	TRAP_RESTORE_MEPC_MSTATUS 0

	TRAP_RESTORE_SP_T0

	mret

建立excption_stack空间,如所示M模式下的异常,则从SP指针开始构建;若不是M模式进入异常,则需要从TP指针开始构建,TP的值为MSCRARCH(这个寄存器会在非M模式下记录M模式下栈帧地址)

.macro	TRAP_SAVE_AND_SETUP_SP_T0
	/* Swap TP and MSCRATCH */
	csrrw	tp, CSR_MSCRATCH, tp

	/* Save T0 in scratch space */
	REG_S	t0, SBI_SCRATCH_TMP0_OFFSET(tp)

	/*
	 * Set T0 to appropriate exception stack
	 *
	 * Came_From_M_Mode = ((MSTATUS.MPP < PRV_M) ? 1 : 0) - 1;
	 * Exception_Stack = TP ^ (Came_From_M_Mode & (SP ^ TP))
	 *
	 * Came_From_M_Mode = 0    ==>    Exception_Stack = TP
	 * Came_From_M_Mode = -1   ==>    Exception_Stack = SP
	 */
	csrr	t0, CSR_MSTATUS
	srl	t0, t0, MSTATUS_MPP_SHIFT
	and	t0, t0, PRV_M
	slti	t0, t0, PRV_M
	add	t0, t0, -1
	xor	sp, sp, tp
	and	t0, t0, sp
	xor	sp, sp, tp
	xor	t0, tp, t0

	/* Save original SP on exception stack */
	REG_S	sp, (SBI_TRAP_REGS_OFFSET(sp) - SBI_TRAP_REGS_SIZE)(t0)

	/* Set SP to exception stack and make room for trap registers */
	add	sp, t0, -(SBI_TRAP_REGS_SIZE)

	/* Restore T0 from scratch space */
	REG_L	t0, SBI_SCRATCH_TMP0_OFFSET(tp)

	/* Save T0 on stack */
	REG_S	t0, SBI_TRAP_REGS_OFFSET(t0)(sp)

	/* Swap TP and MSCRATCH */
	csrrw	tp, CSR_MSCRATCH, tp
.endm

TRAP_CALL_C_ROUTINE前面的宏流程用于状态的保存,TRAP_CALL_C_ROUTINE则会调用到C阶段,进入真正的异常处理程序:

.macro	TRAP_CALL_C_ROUTINE
	/* Call C routine */
	add	a0, sp, zero
	call	sbi_trap_handler
.endm

下面将调用到sbi_trap_handler进行真正的异常处理函数。

2.2 异常处理函数

当Linux中发起ecall调用后,OpenSBI相关服务出发过程如下,主要分为以下几个阶段

  • 上一节中讲到,在fw_base.S汇编阶段注册了M mode的trap handler,也就是sbi_trap_handler
  • 在sbi_trap_handler中处理各种mcause,首先判断中断原因是否为外部设备中断(timer,ipi),若不是则会根据不同的异常类型比如illegal instructions,Misaligned load & store,S and M mode ecall等等
//lib/sbi_trap.c
/**
 * Handle trap/interrupt
 *
 * This function is called by firmware linked to OpenSBI
 * library for handling trap/interrupt. It expects the
 * following:
 * 1. The 'mscratch' CSR is pointing to sbi_scratch of current HART
 * 2. The 'mcause' CSR is having exception/interrupt cause
 * 3. The 'mtval' CSR is having additional trap information
 * 4. The 'mtval2' CSR is having additional trap information
 * 5. The 'mtinst' CSR is having decoded trap instruction
 * 6. Stack pointer (SP) is setup for current HART
 * 7. Interrupts are disabled in MSTATUS CSR
 *
 * @param regs pointer to register state
 */
void sbi_trap_handler(struct sbi_trap_regs *regs)
{
   
	int rc = SBI_ENOTSUPP;
	const char *msg = "trap handler failed";
	ulong mcause = csr_read(CSR_MCAUSE);
	ulong mtval = csr_read(CSR_MTVAL), mtval2 = 0, mtinst = 0;
	struct sbi_trap_info trap;

	if (misa_extension('H')) {
   
		mtval2 = csr_read(CSR_MTVAL2);
		mtinst = csr_read(CSR_MTINST);
	}

	if (mcause & (1UL << (__riscv_xlen - 1))) {
   
		mcause &= ~(1UL << (__riscv_xlen - 1));
		switch (mcause) {
   
		case IRQ_M_TIMER:
			sbi_timer_process();
			break;
		case IRQ_M_SOFT:
			sbi_ipi_process();
			break;
		default:
			msg = "unhandled external interrupt";
			goto trap_error;
		};
		return;
	}

	switch (mcause) {
   
	case CAUSE_ILLEGAL_INSTRUCTION:
		rc  = sbi_illegal_insn_handler(mtval, regs);
		msg = "illegal instruction handler failed";
		break;
	case CAUSE_MISALIGNED_LOAD:
		rc = sbi_misaligned_load_handler(mtval, mtval2, mtinst, regs)

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