Exception Handling

Basic principles and concepts

System Call: 应用程序主动向操作系统发出服务请求。
Exception: 由于非法指令或其他原因导致当前指令执行失败，（如：内存出错）后的处理请求。
Hardware Interrupt: 来自硬件设备的处理请求。

Summary

源头：
- 中断：外设
- 异常：应用程序意想不到的行为
- 系统调用：应用程序请求 OS 服务
相应方式
- 中断：异步
- 异常：同步
- 系统调用：异步或同步
处理机制
- 中断：持续且对应用程序透明
- 异常：杀死或重新继续执行
- 系统调用：等待和持续

Interrupt Handling

Establish Interrupt Mechanisms

建立中断服务例程
- 初始化
  - 设置时钟中断触发次数
  - 设置 sie 的 TI 使能 STIE 位
- 服务例程
  - 调用 OpenSBI 提供的接口设置下次时钟中断触发时间
让 CPU 能响应中断
- 硬件设置
  - sstatus: 保存全局中断的使能位
  - sie: 指出 CPU 目前能处理或忽略的中断
  - stvec: 中断入口地址
- 初始化
  - 设定 sie 的 TI 使能 STIE 位
  - 设定 sstatus 的使能中断 SIE 位
  - 实现中断服务总控函数
  - 设置 stvec 指向中断服务总控函数的入口地址
相应并处理中断
- 硬件设置
  - sepc: 保存中断的指令地址
  - pc: 设置为 stvec
  - scause: 设置中断的来源
  - sstatus: SIE 位置零以禁用中断
  - stval: 保存了中断相关的附加信息
- 软件保存
  - x[0-32]: 通用寄存器
  - pc: 设置为 stvec
  - scause: 设置为中断的来源
  - sstatus: SIE 位置零以禁用中断
  - stval: 保存了中断相关的附加信息
- 产生中断后
  - 硬件设置
  - 软件保存被打断现场
  - 执行软件实现的中断服务例程
  - 软件恢复被打断现场
  - 继续执行
- 硬件中断服务例程可被打断
  - 不同硬件中断源可能在硬件中断处理时出现
  - 中断请求会保持到 CPU 做出响应
  - 硬件中断服务例程中需要临时禁止中断请求
保存或恢复现场
- 还需要为被中断的服务保存和恢复当时程序运行时的上下文
  - x[0-32]: 通用寄存器
  - sstatus: 系统系状态
  - sepc: 触发异常/中断的指令地址
  - scause: 指示发生异常/中断的种类
  - stval: 保存了发生异常/中断的附加信息
- SAVE_ALL 寄存器

System Call

When an application wants to print a string, it will trigger the system call write().

系统调用
- 在 RISC-V 中，ecall 和 sret 指令用于系统调用
- 堆栈切换和特权级的转换
函数调用
- 在 RISC-V 中，call 和 ret 指令用于系统调用
- 无堆栈切换和特权级的转换

Expenditure of System Call

开销会超过函数调用，主要来源：

切换内核堆栈
验证参数
切换页表
拷贝数据

Implementation of System Call

应用发起请求
std lib 发出系统调用请求
- 发出设置系统调用号和参数，发出 ecall
硬件设置
- sepc：保存请求后的指令地址
- pc: 设置为 stvec
- scause: 设置为 ecall from u-mode
- sstauts: SIE 位置零以禁用中断
- stval: 保存了相关的附件信息
软件保存被打断现场
执行软件实现的中断服务例程
软件恢复现场
应用继续执行

Operating System Notes