5.0: Interrupts and device drivers

硬件设备通常有一组寄存器，用于控制设备的行为或传递数据。这些寄存器的功能通常包括：

**输入寄存器：**设备将外部数据（如传感器数据、网络包等）写入到寄存器，处理器通过读取这些寄存器来获取输入数据。 **输出寄存器：**处理器向寄存器写入数据，这些数据会被设备读取并用于控制设备或输出到外部。 **状态寄存器：**用于描述设备的当前状态（如是否准备好接收数据、中断标志等）。这些寄存器在设备设计中被赋予特定的功能，并映射到设备内部的硬件逻辑。

设备驱动程序是操作系统中的一段代码，用于管理特定的设备：它配置设备硬件，指示设备执行操作，处理由设备引发的中断，并与可能在等待设备I/O的进程进行交互。驱动程序代码可能很棘手，因为驱动程序与其管理的设备并发执行。此外，驱动程序还必须理解设备的硬件接口，这些接口通常非常复杂且文档不充分。

需要操作系统关注的设备通常可以配置为生成中断，这是一种陷阱。内核的陷阱处理代码能够识别设备是否发出了中断，并调用驱动程序的中断处理程序；在 xv6 中，这个调度过程发生在 devintr 函数中（位置：kernel/trap.c:185）。

// check if it's an external interrupt or software interrupt,
// and handle it.
// returns 2 if timer interrupt,
// 1 if other device,
// 0 if not recognized.
int
devintr()
{
  uint64 scause = r_scause();

  if(scause == 0x8000000000000009L){
    // this is a supervisor external interrupt, via PLIC.

    // irq indicates which device interrupted.
    // platform-level interrupt controller (PLIC)
    int irq = plic_claim();

    if(irq == UART0_IRQ){
      uartintr();
    } else if(irq == VIRTIO0_IRQ){
      virtio_disk_intr();
    } else if(irq){
      printf("unexpected interrupt irq=%d\n", irq);
    }

    // the PLIC allows each device to raise at most one
    // interrupt at a time; tell the PLIC the device is
    // now allowed to interrupt again.
    if(irq)
      plic_complete(irq);

    return 1;
  } else if(scause == 0x8000000000000005L){
    // timer interrupt.
    clockintr();
    return 2;
  } else {
    return 0;
  }
}

让我们仔细阅读这段代码

  uint64 scause = r_scause();
  if(scause == 0x8000000000000009L){
    // this is a supervisor external interrupt, via PLIC.

scause寄存器用来获取为什么中断的原因. 如果scause 的值是否等于 0x8000000000000009L，这是一个特定的值，用于标识是否为外部中断（来自外部设备），并且是由 PLIC（平台中断控制器）生成的。

  // irq indicates which device interrupted.
    int irq = plic_claim();

    if(irq == UART0_IRQ){
      uartintr();
    } else if(irq == VIRTIO0_IRQ){
      virtio_disk_intr();
    } else if(irq){
      printf("unexpected interrupt irq=%d\n", irq);
    }

通过调用 plic_claim() 获取触发中断的设备的 IRQ（中断请求）编号然后通过这个条件块处理不同设备的中断：如果是 UART0_IRQ，则调用 uartintr() 函数处理 UART 设备的中断。如果是 VIRTIO0_IRQ，则调用 virtio_disk_intr() 函数处理 VirtIO 磁盘的中断。如果是其他未知的中断(即 irq 的值非零),则表示发生了一个无法识别的中断

 // the PLIC allows each device to raise at most one
    // interrupt at a time; tell the PLIC the device is
    // now allowed to interrupt again.
    if(irq)
      plic_complete(irq);

    return 1;
  } else if(scause == 0x8000000000000005L){
    // timer interrupt.
    clockintr();
    return 2;
  } else {
    return 0;
  }

一旦中断处理完成，通过调用 plic_complete() 通知 PLIC 该设备的中断已经处理完毕。这样，PLIC 允许该设备在以后再次触发中断

如果是外部设备的中断处理完毕，返回 1，表示这是一个外部中断

如果 scause 的值是 0x8000000000000005L，则表示发生了定时器中断,调用 clockintr() 函数处理定时器相关的逻辑,返回2

其余情况返回0,无法识别

驱动程序的执行上下文

许多设备驱动程序在两种上下文中执行代码：上半部分和下半部分。

上半部分：通过系统调用（如 read 和 write）来触发，要求设备执行I/O操作。上半部分的代码可能会请求硬件启动某个操作（例如要求磁盘读取一个块）；然后，代码会等待操作完成。
下半部分：当设备完成操作并发出中断时，由驱动程序的中断处理程序执行，它被称为下半部分。下半部分的代码会确定哪个操作已完成，必要时唤醒一个等待的进程，并指示硬件启动下一个待处理的操作。