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4.1.1 Trap

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创建栈帧结构体

当产生中断时，我们需要保存当前 所有寄存器 的状态，然后处理中断，最后恢复寄存器状态，继续执行之前的命令。我们需要按照特定的格式保存寄存器，以便于我们使用 栈帧 结构体查看或修改这些寄存器。可以理解为，在一片连续的内存空间中存放了我们寄存器的状态，我们通过这片空间的首地址（指针）来访问他们。在创建结构体之前，我们在 Cargo.toml 中需要引入一些依赖：

[dependencies]
riscv = { git = "crate/riscv", features = ["inline-asm"] }

riscv32 中有 32 个通用寄存器和部分特殊寄存器。在 main.rs 的同级目录下创建 context.rs 文件，在开头引入一些特殊寄存器：

use riscv::register::{
    sstatus::Sstatus,
    scause::Scause,
};

栈帧结构体的实现如下：

#[repr(C)]
pub struct TrapFrame {
    pub x: [usize; 32], // General registers
    pub sstatus: Sstatus, // Supervisor Status Register
    pub sepc: usize, // Supervisor exception program counter
    pub stval: usize, // Supervisor trap value
    pub scause: Scause, // Scause register: record the cause of exception/interrupt/trap
}

#[repr(C)]表示不希望编译器对结构体的变量顺序做出改变等优化

理解并创建栈帧之后，我们便可以开始对中断进行处理了。

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设置中断入口点来响应中断

在 main.rs 的同级目录下创建 trap/trap.asm 和 interrupt.rs 用于处理中断。

当我们的程序遇上中断或异常时， cpu 会跳转到一个指定的地址进行中断处理。在 RISCV 中，这个地址由 stvec 控制寄存器保存：

stvec_riscv32

ebreak 和 ecall 严格来说属于主动触发的异常。异常是在执行指令的过程中“同步”发生的，相对地中断则是“异步”发生的，由外部信号触发（如时钟、外设、IPI）。

stvec 中包含了 向量基址（BASE） 和 向量模式（MODE） ，其中 向量基址（BASE） 必须按照 4 字节对齐。

RISCV 中有两种中断入口模式：

  • 直接模式（Driect）

    MODE = 0 ，触发任何 中断异常 时都把 PC 设置为 BASE

  • 向量模式（Vectored）

    MODE = 1 ，对第 i 种 中断 ，跳转到 BASE + i * 4；对所有 异常 ，仍跳转到 BASE

为了实现简单，我们采用第一种模式，先进入统一的处理函数，之后再根据中断/异常种类进行不同处理。

在 interrupt.rs 中引入 栈帧 和 stvec ，帮助我们实现 指定中断处理函数 的函数：

__alltraps 便是我们的程序在遇上中断时， cpu 跳转到的地址。现在我们来实现他：

SAVE_ALL 用于保存所有的寄存器的状态， RESTORE_ALL 则用于恢复所有的寄存器的状态。为了增加代码的可读性，我们使用了较多的宏。在 main.rs 中引入 trap.asm 之前，我们需要先定义使用的宏：

有了上面定义的宏之后，我们就可以开始编写 SAVE_ALL 和 RESTORE_ALL 了。增加了这两个部分之后， trap/trap.asm 应该长这样：

由于这部分内容难度较高，所以只进行粗略的介绍。对细节感兴趣的读者可以 点击这里

a0 是 riscv32 中的参数寄存器，用于存放下一个调用的函数的参数。我们给 a0 赋值为 sp ，也就是栈帧的地址。这里调用的的函数是 rust_trap ：

在 riscv 中，发生中断指令的 pc 被存入 sepc 。对于大部分情况，中断处理完成后还回到这个指令继续执行。但对于用户主动触发的异常（例如ebreak用于触发断点，ecall用于系统调用），中断处理函数需要调整 sepc 以跳过这条指令。在 riscv 中， 一般 每条指令都是定长的 4 字节（但如果开启 压缩指令集 可就不一定了，这也导致了一个大坑），因此只需将 sepc +4 即可，这里我们通过 increase_sepc 完成这个功能：

注意！！！

这里我们强调了 一般 。在开启 压缩指令集 的情况下，对于常用指令，编译器会进行压缩，减小程序的大小。但是有时候这并不是我们希望的。比如这里因为我们要求每条指令都是精准的 32bits ，才能够通过 self.sepc = self.sepc + 4 跳转至下一条指令（否则会跳转到奇怪的地方）。在 riscv32-os.json 中，有一行 "features": "+m,+a,+c" 。默认情况下，riscv 指令集只支持加减法， +m 增加了乘除指令； +a 增加了原子操作； +c 增加了代码压缩。这里的压缩是我们不想要的，所以把 +c 删去。

至此我们简易的的中断功能已经全部实现完成，让我们设置一个中断试试：

编译运行，屏幕显示：

可以看到，我们已经成功进入中断处理函数，并且返回到了 rust_main ，触发了 panic 。

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预告

现在，我们已经实现了简易的中断机制。但是同时我们的 main.rs 看起来有一些乱。下一章，我们首先将调整代码结构，简化 main.rs ，然后实现时钟中断，并在 rust_trap 中区分中断类型，对他们进行不同的处理。

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