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# 时钟中断移植记录
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2020/10/22，将 xv6 移植到 k210 的进展：已经可以稳定接收到时钟中断了。
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## RISC-V 中的时钟中断
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借鉴参考文献献 [SiFive Interrupt] 的中断分类标准，将系统中发生的能够中断当前执行代码的事件分为 3 类：
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+ Exception（异常）
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+ Trap
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+ Interrupt
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（为了方便这里我们把后两者统称为“中断”，其实这样分类有些问题，但我不想过于纠结概念性的问题）
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而时钟中断(Timer Interrupt)属于 Interrupt 的一种。
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在 S 态中，scause 保存 Inerrupt 和 Exception 的种类。
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在 RISC-V 文档中，有一个表格记录了 scause 的值和其对应的异常或中断的种类。
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在这个表里面，我们可以看到 `Supervisor timer interrupt` 对应的 scause 最高位是 1,低位的值是 5.
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下面是几个我们移植时钟中断模块时涉及到的几个寄存器：
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+ stvec：保存 S 态中断处理函数的入口地址
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+ sepc：指向发生异常或中断的那条指令的地址
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+ scause：S 态中异常或者中断的原因
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+ sie：中断使能寄存器
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涉及到的一些指令：
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+ CSR 寄存器的读写指令
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+ 一些 RISC-V 的非特权指令
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## xv6 在 qemu 上的时钟中断处理
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xv6 在 qemu 上运行的时候，是没有使用 SBI 实现的，它的内核直接被放在地址 0x80000000 处，qemu 直接加载它的内核代码。
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xv6 的启动过程可以看一下这个文档：[]().
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我们知道 xv6 内核启动的时候首先会进入 entry.S（一个汇编文件），然后运行其中的第一条汇编指令，然后会跳转到 start.c（一个 C 文件）里面运行，在这个文件里面的 timerinit() 函数就是在 M 态下配置初始化 xv6 时钟中断，然后进入到 S 态运行内核代码。
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我们做移植工作的时候不会很关心 xv6 在 qemu 里面是怎么实现时钟中断的，我们只需要知道一点：xv6 是在 M 态对时钟中断进行配置和初始化。
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## 使用 SBI 实现来处理时钟中断
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回到 k210 板子上，我们会使用 SBI 实现，比如说 RustSBI，来为我们的内核提供与硬件交互的接口。这意味着我们的内核代码是完全运行在 S 态的，不能运行 M 态指令，这和 xv6 在 qemu 上运行不同。我们只能通过 SBI 接口来实现我们的内核。因此，和 xv6 在 qemu 上的时钟中断处理不一样，在 S 态处理时钟中断必定得是不同的做法。
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首先我们需要一个中断入口，每次中断或者异常出现时会进入到这里。这个中断入口需要先保存上下文，然后跳转到中断处理函数，返回后需要恢复上下文。xv6 的中断入口实现在 kernelvec.S 文件里面：
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```Assembly
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kernelvec:
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// make room to save registers.
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addi sp, sp, -256
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// save the registers.
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sd ra, 0(sp)
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sd sp, 8(sp)
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sd gp, 16(sp)
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sd tp, 24(sp)
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sd t0, 32(sp)
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sd t1, 40(sp)
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sd t2, 48(sp)
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sd s0, 56(sp)
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sd s1, 64(sp)
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sd a0, 72(sp)
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sd a1, 80(sp)
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sd a2, 88(sp)
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sd a3, 96(sp)
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sd a4, 104(sp)
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sd a5, 112(sp)
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sd a6, 120(sp)
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sd a7, 128(sp)
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sd s2, 136(sp)
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sd s3, 144(sp)
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sd s4, 152(sp)
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sd s5, 160(sp)
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sd s6, 168(sp)
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sd s7, 176(sp)
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sd s8, 184(sp)
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sd s9, 192(sp)
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sd s10, 200(sp)
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sd s11, 208(sp)
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sd t3, 216(sp)
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sd t4, 224(sp)
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sd t5, 232(sp)
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sd t6, 240(sp)
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// call the C trap handler in trap.c
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call kerneltrap
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// restore registers.
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ld ra, 0(sp)
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ld sp, 8(sp)
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ld gp, 16(sp)
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// not this, in case we moved CPUs: ld tp, 24(sp)
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ld t0, 32(sp)
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ld t1, 40(sp)
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ld t2, 48(sp)
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ld s0, 56(sp)
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ld s1, 64(sp)
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ld a0, 72(sp)
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ld a1, 80(sp)
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ld a2, 88(sp)
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ld a3, 96(sp)
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ld a4, 104(sp)
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ld a5, 112(sp)
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ld a6, 120(sp)
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ld a7, 128(sp)
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ld s2, 136(sp)
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||
ld s3, 144(sp)
|
||
ld s4, 152(sp)
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||
ld s5, 160(sp)
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||
ld s6, 168(sp)
|
||
ld s7, 176(sp)
|
||
ld s8, 184(sp)
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||
ld s9, 192(sp)
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ld s10, 200(sp)
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ld s11, 208(sp)
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||
ld t3, 216(sp)
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ld t4, 224(sp)
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ld t5, 232(sp)
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ld t6, 240(sp)
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addi sp, sp, 256
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// return to whatever we were doing in the kernel.
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sret
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```
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跳转到中断处理函数（这里是 kerneltrap 函数，在 trap.c 文件里面）后，我们需要判断中断或异常的类型，这个类型保存在 scause 里面，下面是 xv6 中类型判断函数 devintr 的实现（已经修改为 k210 版本）：
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```C
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// check if it's an external interrupt or software interrupt,
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// and handle it.
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// returns 2 if timer interrupt,
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// 1 if other device,
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// 0 if not recognized.
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int
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devintr()
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{
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uint64 scause = r_scause();
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if((scause & 0x8000000000000000L) &&
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(scause & 0xff) == 9){
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// this is a supervisor external interrupt, via PLIC.
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// irq indicates which device interrupted.
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int irq = plic_claim();
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if(irq == UART0_IRQ){
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uartintr();
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} else if(irq == VIRTIO0_IRQ){
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virtio_disk_intr();
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} else if(irq){
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printf("unexpected interrupt irq=%d\n", irq);
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}
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// the PLIC allows each device to raise at most one
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// interrupt at a time; tell the PLIC the device is
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// now allowed to interrupt again.
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if(irq)
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plic_complete(irq);
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return 1;
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} else if(scause == 0x8000000000000005L){
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// software interrupt from a supervisor-mode timer interrupt,
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if(cpuid() == 0){
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clockintr();
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}
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// acknowledge the software interrupt by clearing
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// the SSIP bit in sip.
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w_sip(r_sip() & ~2);里面
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return 2;
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} else {
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return 0;
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}
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}
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```
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可以看到 scause 为 0x8000000000000005L 的时候判断为 S 态下的时钟中断，和官方文档里面描述一致。
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然后我们回到中断处理函数（kerneltrap）：
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```C
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// interrupts and exceptions from kernel code go here via kernelvec,
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// on whatever the current kernel stack is.
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void
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kerneltrap()
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{
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// printf("run in kerneltrap...\n");
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int which_dev = 0;
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uint64 sepc = r_sepc();
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uint64 sstatus = r_sstatus();
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uint64 scause = r_scause();
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if((sstatus & SSTATUS_SPP) == 0)
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panic("kerneltrap: not from supervisor mode");
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if(intr_get() != 0)
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panic("kerneltrap: interrupts enabled");
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if((which_dev = devintr()) == 0){
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printf("scause %p\n", scause);
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printf("sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());
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panic("kerneltrap");
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}
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// printf("which_dev: %d\n", which_dev);
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// give up the CPU if this is a timer interrupt.
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/* if(which_dev == 2 && myproc() != 0 && myproc()->state == RUNNING) {
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supervisor_timer();
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yield();
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} */
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if(which_dev == 2) {
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||
// printf("[Trap]timer interrupt\n");
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||
timer_tick();
|
||
if(myproc() != 0 && myproc()->state == RUNNING) {
|
||
yield();
|
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}
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||
}
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// the yield() may have caused some traps to occur,
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// so restore trap registers for use by kernelvec.S's sepc instruction.
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w_sepc(sepc);
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||
w_sstatus(sstatus);
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||
}
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```
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如果判断为时钟中断的话，会跳转到 timer.c 里的 timer_tick()，这个函数主要是设置下一次时钟中断的时间：
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```C
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void timer_tick() {
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||
set_next_timeout();
|
||
tick++;
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if((tick % 10) == 0) printf("[Timer]tick: %d\n", tick);
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||
}
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||
```
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下面是 set_next_timeout() 函数的实现：
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```C
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||
void
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||
set_next_timeout() {
|
||
// There is a very strang bug,
|
||
// if comment the printf line below
|
||
// the timer will not work.
|
||
printf("");
|
||
sbi_set_timer(r_time() + INTERVAL);
|
||
}
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||
```
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||
这里使用了 SBI 接口：sbi_set_timer，r_time() 向硬件读取当前的时间，然后加上一个时间间隔 INTERVAL 作为参数传给 sbi_set_timer 接口，以这种方式来处理时钟中断。
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这里需要说明一下 r_time() 函数：
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```C
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||
// supervisor-mode cycle counter
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||
static inline uint64
|
||
r_time()
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||
{
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uint64 x;
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||
// asm volatile("csrr %0, time" : "=r" (x) );
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// this instruction will trap in SBI
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||
asm volatile("rdtime %0" : "=r" (x) );
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||
return x;
|
||
}
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```
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rdtime %0 这条指令会陷入到 SBI 里面，然后会返回当前的硬件时间。
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||
时钟中断处理完后又会回到 kernelvec.S 里面的汇编程序里面，恢复上下文，然后 sret，继续运行内核代码。
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下面补充一下 S 态中 Timer 的初始化的实现，主要是设置第一次时钟中断和开启 S 态时钟中断使能：
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```C
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||
void timerinit() {
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||
// enable supervisor-mode timer interrupts.
|
||
w_sie(r_sie() | SIE_STIE);
|
||
set_next_timeout();
|
||
printf("timerinit\n");
|
||
}
|
||
```
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以上就是我在将 xv6 移植到 k210 上的时钟中断的实现方法。
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## 运行结果
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## 神奇的 Bug
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细心的同学可能已经发现了，在 set_next_timeout() 函数里面，我们有一行`printf`代码：
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||
```C
|
||
void
|
||
set_next_timeout() {
|
||
// There is a very strang bug,
|
||
// if comment the printf line below
|
||
// the timer will not work.
|
||
printf("");
|
||
sbi_set_timer(r_time() + INTERVAL);
|
||
}
|
||
```
|
||
为什么我要加上这行`printf`呢？因为如果没有这行`printf`，时钟中断不能正常运行。更准确地来说，只有在 sbi_set_timer() 函数之前加上 printf 语句，不管是哪种格式，时钟中断才能正常工作。有兴趣的可以尝试一下。
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我的猜测是如果没有这行`printf`，编译器会把这个函数“优化掉”。因为我曾经把这个函数的签名改为`static inline void`，重新编译链接，结果就是即使没有这行`printf`时钟中断也能正常工作了。但是我 make clean 之后想重新编译的时候会报错，然后后面经过一系列改动，最终导致我没能回到当时那个运行效果了。
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我目前只能做到用`printf`打印空字符的方法来处理这个bug。
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如果有更好的解决办法，请提交 pr，非常感谢！
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