RISCV synchronous exception and interrupts

在RISC-V架构中，synchronous exceptions和interrupts是两类不同的异常（或中断）机制，主要区别在于它们的触发方式和处理方式。

Synchronous Exceptions（同步异常）

• 定义：同步异常是由CPU在执行指令过程中检测到的异常情况引发的。这些异常是指令执行的直接结果，并且在指令执行的过程中同步发生。

• 常见例子：

  • 非法指令异常：执行了一个未定义或非法的指令。
  • 地址错乱异常：访问了一个未对齐的地址，或访问了一个无效的地址。
  • 算术异常：如除零错误。
  • 系统调用异常：程序发出的系统调用请求。
• 处理方式：当同步异常发生时，处理器会立即停止当前指令的执行，并跳转到异常处理程序的入口地址（由BASE字段定义）。

Interrupts（中断）

• 定义：中断是由外部事件或内部硬件定时器引发的，并且与当前执行的指令无关。中断是异步发生的，因为它们可以在任何指令执行期间被触发。

• 常见例子：

  • 外部设备中断：如键盘输入、中断请求线信号。
  • 计时器中断：如定时器溢出。
  • 软件中断：由软件请求的中断信号。
• 处理方式：当中断发生时，处理器会完成当前指令的执行，然后跳转到中断处理程序的入口地址。如果在MODE=Vectored模式下，中断处理程序的入口地址是由BASE字段加上4倍的中断原因编号（interrupt cause number）来决定。例如，计时器中断的原因编号是7（从表14中可查），则中断处理程序的入口地址是BASE + 0x1C（即BASE + 4 * 7）。

区别总结

1. 触发方式：

   • 同步异常：由指令执行过程中发生的错误或事件触发。
   • 中断：由外部事件或内部硬件信号触发，独立于指令执行过程。

2. 时序特性：

   • 同步异常：同步发生在指令执行过程中。
   • 中断：异步发生，可以在任意指令执行期间触发。

3. 处理方式：

   • 同步异常：直接跳转到BASE字段定义的处理程序地址。
   • 中断：在MODE=Vectored模式下，跳转到BASE字段加上4倍中断原因编号的处理程序地址；在MODE=Direct模式下，跳转到BASE字段定义的处理程序地址。

例子

同步异常例子：

# 指令：除法除以零
div x1, x2, x3
# 如果x3是0，则会引发除零异常，处理器会跳转到异常处理程序。

中断例子：

# 计时器中断
# 当计时器溢出时，触发中断，处理器会跳转到中断处理程序。

总结

在RISC-V中，synchronous exceptions和interrupts分别用于处理指令执行中的错误和外部/内部事件引发的中断。理解这两者的区别和处理方式有助于设计和实现更有效的异常和中断处理机制。

这句话描述了在RISC-V架构中，如何使用mcause寄存器的值来区分中断和其他陷阱（traps），以及如何利用该值来索引到陷阱向量表（trap vector table）以处理不同的异常和中断。

详细解释

1. mcause寄存器：

   • mcause寄存器用于保存引发陷阱的原因。在RISC-V中，这个寄存器的最高位（即sign位）用于区分是中断还是异常，剩余的位用于表示具体的中断或异常代码。
   • 如果最高位是1，表示这是一个中断。
   • 如果最高位是0，表示这是一个异常。

2. 区分中断和异常：

   • 通过检查mcause寄存器值的最高位，可以确定当前的陷阱是中断还是异常。具体来说，可以通过检查符号位（sign bit）来实现。
   • 例如，使用一个条件分支指令可以检查最高位的符号，如果符号位为1，则是中断，否则是异常。

3. 移位操作以索引陷阱向量表：

   • 中断和异常的具体类型由mcause寄存器的低位部分编码。为了将这些代码用于索引陷阱向量表，可以通过左移操作去掉最高位，并将剩下的位作为索引。
   • 例如，左移操作可以去掉最高位，同时将异常码按固定步长扩展，用于计算在陷阱向量表中的位置。

例子

假设我们有如下结构的mcause寄存器（假设32位）：

• 最高位（bit 31）表示中断标志位。
• 剩余的31位表示异常或中断原因代码。

# RISC-V pseudo code example
# Assume x1 holds the mcause value
# Check if the cause is an interrupt
bltz x1, handle_exception   # Branch if mcause is negative (indicating an exception)

# Handle interrupt
li x2, 0x7FFFFFFF         # Load mask to clear the highest bit
and x1, x1, x2            # Clear the highest bit to get the interrupt code
sll x1, x1, 2             # Shift left by 2 to scale the interrupt code for the vector table
la x3, interrupt_vector_table
add x3, x3, x1            # Get the address of the specific interrupt handler
jr x3                     # Jump to the interrupt handler

handle_exception:
# Handle exception
li x2, 0x7FFFFFFF         # Load mask to clear the highest bit
and x1, x1, x2            # Clear the highest bit to get the exception code
sll x1, x1, 2             # Shift left by 2 to scale the exception code for the vector table
la x3, exception_vector_table
add x3, x3, x1            # Get the address of the specific exception handler
jr x3                     # Jump to the exception handler

解释

1. 检查中断标志：

   • 使用bltz（branch if less than zero）指令检查mcause寄存器的值是否为负，以确定是否是异常。因为最高位为1时表示负数，这样就可以分辨中断和异常。

2. 处理中断：

   • 清除mcause寄存器的最高位，以获得中断原因代码。
   • 将中断原因代码左移2位，以计算在中断向量表中的索引。
   • 根据索引跳转到对应的中断处理程序。

3. 处理异常：

   • 清除mcause寄存器的最高位，以获得异常原因代码。
   • 将异常原因代码左移2位，以计算在异常向量表中的索引。
   • 根据索引跳转到对应的异常处理程序。

总结

通过检查mcause寄存器的符号位，可以有效地区分中断和异常。移位操作则用于计算在陷阱向量表中的索引，以跳转到正确的处理程序。这种方法简化了中断和异常的处理过程，便于编写高效的陷阱处理代码。