RISC-V AIA学习1----介绍

PLIC（平台级中断控制器）

PLIC 是 Platform-Level Interrupt Controller 的缩写，PLIC 是计算机系统中管理硬件中断的 “总调度员”。不同的外设比如 GPIO、UART 等会产生中断，PLIC 负责管理这些中断，决定哪个中断先被处理。比如，当多个外设同时请求中断时，PLIC 会根据优先级排队，让 CPU 先处理最重要的那个。

• 场景类比：
  想象一个公司有多个部门（外设），每个部门遇到问题时都要找老板（CPU）汇报。但老板一次只能处理一件事，PLIC 就像老板的秘书，负责：
  1. 接收所有部门的请求（中断信号）；
  2. 按优先级排队（比如财务部的紧急程度比保洁部高）；
  3. 通知老板处理当前优先级最高的请求。

特点：

• 硬件中断：通过物理信号线（如 IRQ 线）传递请求。
• 固定优先级：每个外设的优先级在硬件设计时确定，不够灵活。
• 适用场景：传统嵌入式系统或单核处理器。

MSI（消息信号中断）

MSI 是一种用 “软件消息” 替代硬件信号线的中断触发方式。

• 场景类比：
  部门不再通过秘书（PLIC）传递请求，而是直接给老板发邮件（写特定内存地址）。邮件内容可以包含请求类型和优先级，老板收到邮件后自己处理。

特点：

• 软件触发：通过写入特定内存地址触发中断，无需物理线路。
• 动态优先级：中断的优先级和内容可通过软件灵活配置。
• 扩展性强：适合多核处理器或虚拟化环境（如云服务器中的虚拟机动态分配中断）

AIA 规范为何引入 MSI？

• 痛点：传统 PLIC 的硬件中断在复杂系统中扩展性差（比如需要大量物理线路）。
• 优势：
  • 节省资源：无需为每个外设分配独立的中断线。
  • 灵活管理：中断的优先级、触发方式可动态调整。
  • 适应多核：多核 CPU 可通过 MSI 消息直接分配任务，减少竞争。

Hart的概念：

Hard thread硬件线程，在多核处理器中，每个核就是一个hart，每个hart可以同时处理不同任务

现在AIA规范增加了对MSI消息中断的支持，RISCV的两个标准中断控制器

1. APLIC(在软件的配置下，将线中断转换成MSI中断，收集并处理MSI中断)
2. IMSIC(任务是收集和处理中断，然后将这些中断以线连接或者MSI的方式传递给hart)

通常在较大的系统中，比如支持PCI设备的系统，每个hart都有IMSIC，从而完全支持MSI，可以用来控制external interrupt

一、 不带IMSIC的中断

当RSIC-V hart不带IMSIC时，外部中断通过独享的中断线传送到hart内。

在这种情况下，APLIC作为外部中断控制器，负责将所有外部中断路由至不同的hart中，并对不同的外部中断进行优先级排序。

APLIC会根据软件配置（即Delgate）将外部中断有选择性的传入到hart中的M态或者S态。

二、带IMSIC的外部中断

IMSIC用来接收MSI中断，因此，每个 IMSIC 在物理地址空间中被分配了一个或多个不同的地址，当对这些地址进行写入时，接收的 IMSIC 就表示该行为为 external interrupt。所有 IMSIC 在机器的实体地址空间中都有唯一的地址，所以每个 IMSIC 都可以接收 MSI。

①MSI中断的实现方式

MSI中断通过向内存映射地址写数据的方式实现。MSI 只是一种对特定的内存写入，硬件接受该地址表示为 interrupt。

想象计算机的内存就像一个巨大的文件柜，里面有很多抽屉，每个抽屉都有一个特定的编号（地址）。MSI 中断就像是一种特殊的 “写文件” 操作。当我们需要给计算机传达一个中断信号时，不需要用复杂的硬件线路去专门传递，而是直接往文件柜的某个特定抽屉（内存映射地址）里放一份文件（写数据）。一旦硬件发现这个特定抽屉里有新文件了，就知道这是一个中断信号（interrupt），需要停下来处理这个事情。

②IMSIC接收MSI中断

IMSIC用来接收MSI中断。因此，每个 IMSIC 在物理地址空间中被分配了一个或多个不同的地址，当对这些地址进行写入时，接收的 IMSIC 就表示该行为为 external interrupt。

IMSIC 就像是文件柜的管理员。每个管理员（IMSIC）都负责管理文件柜里的一个或几个特定抽屉（物理地址空间中的一个或多个不同地址）。当有人往这些管理员负责的抽屉里放文件（对特定地址进行写入操作）时，管理员就知道这是一个外部中断信号（external interrupt），然后会按照规定去处理这个中断。而且，每个管理员负责的抽屉编号都是独一无二的，这样就保证了每个 IMSIC 都能准确接收到属于自己的 MSI 中断，不会出现混乱。

③特权等级与中断控制

IMSIC 针对 machine level 和 supervisor level 有独立的地址，通过不同地址写入的权限，可以授予或拒绝每个级别发出 interrupt 信号的能力

• 独立地址的作用：
  管理层（machine level）和员工层（supervisor level）的邮箱（地址）是分开的。
  • 权限控制：只有特定部门能往对应邮箱发邮件（写数据触发中断）。例如：
    • 管理层邮箱：允许发送高优先级中断（如系统故障）
    • 员工层邮箱：只能发送普通中断（如应用请求）
  • 避免干扰：不同部门的任务清单（interrupt file）独立，防止越权操作。

④Interrupt File（中断文件）

面向特定特权等级下的hart的MSI中断会被记录在IMSIC的interrupt file中

每个 IMSIC 管理员有一个 “任务清单”（interrupt file），记录两类信息：

• Pending 位（eip0-eip63）：任务是否已提交（类似 “待办事项标记”）
• Enable 位（eie0-eie63）：是否允许接收该任务（类似 “任务开关”）

特点：

• 每个任务清单支持最多 2047 个任务（编号 1-2047   64个寄存器*32个中断=2048），编号 0 固定禁用
• 每个任务用 32 位寄存器管理（类似每行记录一个任务的详细信息）

⑤APLIC 的角色变化

• 传统情况（无 IMSIC）：
  APLIC 像 “传统邮局”，直接通过物理线路（wired interrupt）发送信件（中断）给 hart。
• 当 risc-v 系统中 hart有 IMSIC 时：
  APLIC 像 “智能邮局”，将传统信件（wired interrupt）转换成电子邮件（MSI），再通过 IMSIC 管理员的邮箱（内存地址）发送。
  • 软件配置：通过设置 APLIC 的寄存器，决定：
    • 中断发送给哪个 hart 的哪个特权等级对应的 IMSIC的interrupt file
    • 中断的优先级（类似邮件的紧急程度）

⑥虚拟化支持（Guest Interrupt File）

• 类比：
  公司开设多个 “虚拟子公司”（虚拟机），每个子公司有自己的任务清单（guest interrupt file）。
• 作用：
  • 虚拟机之间的中断相互隔离（类似子公司独立处理自己的任务）
  • 增强安全性：物理主机（hypervisor）通过控制 guest 文件，确保虚拟机无法越权访问真实硬件。

三、其它中断

本地中断（local interrupt），包含timer interrupt和soft interrupt（IPI），它们是hart内部的中断，不会通过APLIC和IMSIC。

四、在hart中的中断ID定义

RISC-V 特权架构为每个 hart 上的 interrupt cause 定义了不同的 ID number ，这是当 trap 发生时自动写入 mcause 或是 scause 的。

• major identity：中断的 “部门编号”（如管理部、员工部）
  • S 级（员工层）：部门编号 9
    （例如：普通应用程序触发的中断）
  • H 级（虚拟管理层）：部门编号 10
    （例如：虚拟机监控程序处理的中断）
  • M 级（最高管理层）：部门编号 11
    （例如：硬件故障等紧急中断）

                作用：快速区分中断的优先级和处理权限。

• minor identity：中断的 “任务编号”（如 “网络请求”、“磁盘读写”）
  • 线中断（wired interrupt）：由 APLIC（邮局）配置任务编号
    （例如：设置 “磁盘中断” 为任务 5）
  • MSI 中断：由设备（如显卡）直接指定任务编号
    （例如：显卡发送任务 10 表示 “画面渲染完成”）

                作用：在同一部门内区分具体任务类型。        

中断路由规则

1. 中断只能发给一个 hart

• 类比：每个任务只能分配给一条生产线（hart）处理，不能同时发给多条。
• 原因：
  • 简化硬件设计，避免多个 hart 同时响应导致冲突。
  • 软件可精确控制中断处理逻辑（例如：让特定 hart 处理网络中断）。

2. 如何选择目标 hart？

• 软件配置：通过 APLIC（邮局）或设备寄存器设置中断的目标 hart。
  • 例如：将 “磁盘中断” 配置为只发给 hart 0 的 S 级部门。
• 定时器中断：每个 hart 自己的闹钟，只能由自己处理。
  • 类比：每个生产线自己的闹钟，不会干扰其他生产线。

3. 多 hart 协作的限制

• 无法广播：不能像广播通知一样同时发给所有 hart。
  • 替代方案：
    若需向多个 hart 发送中断（如处理器间中断 IPI），必须逐个发送。
    类比：通知多个同事需要单独发消息，不能群发。

中断的可见性

• 本地中断：只能在发起的 hart 内部可见。
  （例如：某个 hart 的内部计算错误，其他 hart 不知道）
• 虚拟中断：虚拟机内部的中断，物理主机不可见。
  （例如：虚拟机 A 的键盘中断，不会影响物理主机或虚拟机 B）