中断(Interrupt)

问题：什么是中断？为什么需要中断？中断是如何产生的？操作系统中是如何处理中断的？

​ –解答：和page fault一样，中断也会引起trap机制。当发生中断时，系统需要停止当前运行的工作，优先处理中断事件。在操作系统中主要有3类中断：由软件引起的中断、时钟中断(用于时间片调度算法)以及外部设备引起的中断(比如网卡受到一个packet后，在某个时间点会产生中断将处理完的packet交给操作系统)。在本节主要介绍最后一种中断。

​ 在计算机中为了提高运行效率，几乎所有外部设备和CPU都是并行运行的，这样做的好处是可以充分利用CPU资源。因此当外部设备准备好了后(一些资源的初始化操作)，必须依靠某种机制使它们能够和CPU进行交互。这种机制就是中断，它们会产生一个中断，告诉操作系统我需要CPU。

​ 当产生中断时，我们需要在内核处理这些中断，因此会触发trap机制完成到内核的切换以及保存好那些重要的用户数据，这个过程在之前讲过，这里不再赘述。在操作系统中设置了PLIC(Platform Level Interrupt Control)用于将这些中断分发给CPU。更具体的流程是在PLIC中会存储大量中断信息，并且会通知CPU有这些中断需要处理，当某个CPU接收中断时，PLIC会将中断传送给CPU，CPU处理完后会通知PLIC，PLIC会清除掉已处理的中断信息。

image-20240319135551515

问题：和System Call以及page fault相比，外设中断有什么区别？

​ –解答：当硬件生成中断时，Interrupt handler与当前运行的进程在CPU上没有任何关联。但如果是系统调用的话，系统调用发生在运行进程的context下。

​ 我们还需要对这些外部设备进行编程，以告诉它们在读写某个控制寄存器时，需要做出何种反应。

​ 最后，外部设备和CPU是并行运行的，在之前也讲到过，这是提升CPU使用的一种方法。

问题：什么是设备驱动？

​ –解答：所谓设备驱动就是管理设备的代码，一般由top和bottom两部分组成，bottom中编写的是Interrupt Handler的逻辑，当CPU处理某个设备的中断时，它会执行这部分代码。top部分提供了一些接口用于与其他进程进行交互(由于Interrupt Handler不依赖任何一个进程的context，因此其他进程无法知道Interrupt Handler的地址)。在top和bottom之间通过一个队列buffer进行通信，Interrupt Handler向buffer中写入数据，top从buffer中读取数据。

问题：如何对外部设备进行编程？

​ –解答：这些外部设备地址通常位于内存中某个特定区间，这由硬件开发人员决定，操作系统需要知道这些设备的地址，然后直接使用load/store指令修改其中的内容。以下是SiFive主板上的一些设备地址

image-20240324093129416

可以发现0x0C00_0000~0x0FFF_FFFF这部分地址分配给了PLIC设备

问题：和处理中断相关的寄存器有哪些？分别有什么作用？

​ –解答：

  • SIE（Supervisor Interrupt Enable）寄存器。这个寄存器中有一个bit（E）专门针对例如UART的外部设备的中断；有一个bit（S）专门针对软件中断，软件中断可能由一个CPU核触发给另一个CPU核；还有一个bit（T）专门针对定时器中断。我们这节课只关注外部设备的中断。
  • SSTATUS（Supervisor Status）寄存器。这个寄存器中有一个bit来打开或者关闭中断。每一个CPU核都有独立的SIE和SSTATUS寄存器，除了通过SIE寄存器来单独控制特定的中断，还可以通过SSTATUS寄存器中的一个bit来控制所有的中断。
  • SIP（Supervisor Interrupt Pending）寄存器。当发生中断时，处理器可以通过查看这个寄存器知道当前是什么类型的中断。
  • SCAUSE寄存器，这个寄存器我们之前看过很多次。它会表明当前状态的原因是中断。
  • STVEC寄存器，它会保存当trap，page fault或者中断发生时，CPU运行的用户程序的程序计数器，这样才能在稍后恢复程序的运行。

问题：xv6系统中是如何实现中断的？