操作系统 - 中断和系统驱动

加瓦学徒
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一、硬件部分

网卡收到packpage,网卡就会产生中断，按下键盘也会产生中断。

如果受到一个中断，sw save its work, process interupt, resume its work。它和page fault,syscall都使用了相同的机制。

中断和系统调用的三大差别：

  1. 异步性（Asynchronous） ：中断由硬件生成，与当前运行的进程无关；而系统调用发生在当前进程的上下文中。
  2. 并发性（Concurrency） ：中断和设备处理是并行的，设备（如网卡）独立工作，生成中断，且与CPU并行执行。
  3. 外设编程（Program Device） ：中断通常涉及与外部设备（如网卡、UART）的交互，这些设备需要编程和管理，而系统调用通常是在操作系统内核中处理。

(一) PLIC

所有的设备都连接到处理器上，处理器上是通过Platform Level Interrupt Control （ 简称PLIC ）来处理设备中断。

中断到达PLIC后，PLIC会路由这些分发这些中断，路由到某个CPU核（PLIC仅仅负责分发中断，需要内核对PLIC编程告诉他中断分发到哪里，PLIC本身并没有确保中断处理的机制）。

如果所有的CPU核都在处理中断，PLIC会将中断等待CPU核空闲。 大致流程如下：

  • PLIC会通知当前有一个待处理的中断
  • 其中一个CPU核会Claim接收中断，这样PLIC就不会把中断发给其他的CPU处理
  • CPU核处理完中断之后，CPU会通知PLIC
  • PLIC将不再保存中断的信息

二、驱动程序与中断

当用户输入一个字符，UART设备就会产生一个中断，激活XV6的 Trap 处理程序。

Trap 处理程序将会调用devintr，读取scause判断是否为外部设备产生的中断。

之后通过PLIC（平台级中断控制器）判断中断设备，如果是UART设备，就会调用uartintr函数。

驱动程序：负责管理和控制硬件设备的代码，处理硬件与操作系统之间的交互。包括配置设备硬件、指示设备执行操作、处理硬件中断等。

所有的驱动都在内核中。我们今天要看的是UART设备的驱动。

(一) bottom部分和top部分

驱动程序负责管理硬件设备与操作系统之间的交互，通常分为bottom部分和top部分：

bottom部分（中断处理程序） ：

  • 运行在内核空间，响应硬件设备（如 UART）发出的中断信号。主要任务是快速处理中断事件，如更新状态、处理缓冲区数据等，不涉及复杂操作。
  • 由于它不依赖进程上下文，因此不能直接访问进程的虚拟内存。

top部分（用户接口） ：

  • 提供用户空间与设备交互的接口（如 read()、write() 系统调用）。应用程序通过这些接口与设备进行数据交换，例如读取或发送数据。

而 Top 和 Bottom 通过队列（缓冲区） 来进行数据通信，这样做有几个好处：

  • 用于存储数据，避免设备与 CPU 之间的直接冲突。
  • 实现设备的读写操作与 CPU 操作的解耦，提高效率和并发性。

(二) Memory Mapped I/O

内存映射 I/O (Memory-mapped I/O) 是一种将文件或设备内容直接映射到程序的内存空间的技术，它通过将文件或设备的内容直接映射到程序的内存空间，使得程序可以像操作普通内存一样操作文件 。 它的工作原理如下：

  1. 操作系统将文件内容映射到程序的虚拟内存区域，使得程序可以通过内存地址直接访问文件数据。
  2. 程序读写这些内存地址时，操作系统会自动处理数据的加载和保存，确保访问的是文件的最新内容。

通常情况下，当程序读取或写入文件时，它会通过操作系统提供的API（比如 read() 和 write()）来进行数据的传输。操作系统负责将磁盘上的数据加载到内存中，程序再处理这些数据。在频繁读取或修改大型文件时，会造成多次磁盘 I/O 操作。

(三) UART硬件接口

1. UART 相关概念

异步串行通信：仅需两根信号线（TX发送、RX接收），无时钟同步，依靠波特率（如115200bps）协调收发时序。

这里有三个关键寄存器：

  • THR（发送保持寄存器） ：写入数据后自动启动串行发送****。
  • RHR（接收保持寄存器） ：存储接收到的字节，触发中断后由CPU读取****。
  • IER（中断使能寄存器） ：配置中断类型（如接收完成、发送缓冲区空）。

CPU通过执行load/store指令与UART的寄存器进行交互（内存映射）。

实际上，CPU并不直接操作内存，而是与设备的寄存器交换数据。比如，当你向Transmit Holding Register写入数据时，CPU会将数据送入UART芯片，这样数据就通过串口被发送出去。

我们来看看硬件层面的操作流程：

  1. consoleinit初始化UART硬件，配置中断（通过IER开启中断，并在PLIC（平台级中断控制器）中分配优先级）。
  2. 设备触发中断（例如，用户输入时触发接收中断）。
    1. 接收中断：UART将串行数据合并为字节存入RHR → 触发中断 → CPU读取数据并传递给进程（如Shell）
    2. 发送中断：THR空时触发 → CPU填充新数据继续发送

输入输出示例（xv6的 $ ls ）

  • 输出流程：
    1. Shell调用write将字符$写入标准输出（文件描述符1）。
    2. 内核将数据写入THR → UART发送至虚拟终端（如QEMU模拟的UART）→ 触发发送完成中断****。
  • 输入流程：
    1. 用户输入ls → 键盘信号经UART接收线路转换为字节 → 存入RHR并触发接收中断。
    2. 中断处理程序读取数据 → 通过控制台驱动传递给Shell执行命令****。

2. UART驱动的top部分

我们要知道将 Shell 程序的提示符 $ 通过 Console（控制台）输出到终端上这个过程，背后其实是通过 UART 设备来完成的。本质上是“从应用层的 Shell 程序写数据，经过内核处理，最终通过硬件设备输出到终端”。

Shell 是用户与操作系统内核之间的媒介，负责解析用户输入的命令，将其转化为内核能理解的指令，并管理输入/输出流程。

那么我们在来看一下，如何将 Shell 程序的提示符 $ 通过 Console（控制台）输出到终端上。

其实我们脑海中现有个大致的概念，先将整个过程可以类比为：

用户通过“键盘”（Shell）输入指令 → 系统将指令打包交给“快递员”（内核） → 快递员将包裹（字符 $）暂存到“中转站”（环形缓冲区） → “卡车”（UART 硬件）按顺序将包裹运送到目的地（终端） → 卡车卸货后通知快递员继续送货。

1️⃣ Console 设备初始化：
系统启动时，首先会创建 /dev/console 设备文件，作为用户与系统交互的入口。这个设备文件通过文件描述符 0（标准输入） 绑定到控制台设备。接着，系统通过复制操作（如 dup）将 标准输入（0） 的配置信息传递给 标准输出（1） 和 标准错误（2） ，使得三者都指向同一个 Console 设备。

2️⃣ 数据流从 Shell 到 UART

用户在 Shell 中输入命令（例如打印字符 $）时，系统会通过 write 调用将数据写入标准错误输出（文件描述符 2）。这里选择标准错误输出可能是为了调试或特殊标识需求。

内核收到写请求后，会检查参数合法性，并调用文件写入函数。由于文件描述符 2 对应的是设备类型（Console），内核会进一步调用 Console 设备的专用写函数。

3️⃣ Console 与 UART 的协作

Console 设备的写函数将字符 $ 传递给 UART 驱动。UART 驱动内部有一个 环形缓冲区（类似一个“临时存储区”，容量为 32 字符），用于暂存待发送的数据。

缓冲区规则：读指针和写指针重合时，表示缓冲区为空；写指针追上读指针时，表示缓冲区已满，需等待发送完成。

4️⃣ UART 发送数据到硬件

当字符 $ 被放入缓冲区后，UART 驱动会检查硬件状态：

  1. 如果 UART 空闲（例如之前的字符已发送完毕），则从缓冲区取出字符 $，直接写入发送寄存器（THR）；
  2. 发送寄存器将字符传输到物理线路上（如串口线或虚拟终端）

5️⃣ 硬件完成数据发送

UART 硬件将字符$发送到终端，并在发送完成后发出中断信号，通知 CPU 数据：已发送成功，UART 处于空闲状态，可以处理下一个字符。

其关键点在于：

  1. 设备初始化：通过文件描述符的绑定和复制，统一管理输入、输出和错误信息****。
  2. 数据流动：从用户输入到硬件发送，依赖内核的驱动和缓冲区管理，保证数据不丢失且有序传输。
  3. 硬件协作：UART 的环形缓冲区和中断机制，解决了低速硬件与高速 CPU 之间的速度不匹配问题。

3. UART驱动的bottom部分

当 Shell 程序正在运行时（比如打印提示符“$ ”），如果键盘或其他外设（比如 UART）触发了中断 ，RISC-V CPU 会暂停当前的用户程序，将运行权限交给内核，并跳转到预先定义的中断处理函数去处理中断。 具体流程：

  1. 清除与当前中断相关的 SIE 寄存器中的 bit 位，防止被其他中断打扰。
  2. 保存当前程序计数器（PC）到 SEPC 寄存器，并保存运行模式。
  3. 切换到 Supervisor mode（内核模式），准备执行中断处理程序。
  4. 将程序计数器设置为 STVEC 寄存器的值，跳转到中断处理函数。

(四) Interrupt 并发

我们接下来看看，他们是怎么保证并发时候的线程安全的。

  1. 生产者：Shell通过uartputc将字符（如$）写入循环缓冲区（buffer），写指针移动。若buffer满，Shell调用sleep等待。
  2. 消费者：UART通过uartintr从buffer读取字符并发送到Console，读指针移动。若buffer空，UART等待中断。
  3. 同步机制：
    • 锁：保护buffer，防止多核同时访问导致数据混乱。
    • Sleep/Wakeup：当buffer满时，Shell休眠；UART清空buffer后唤醒Shell。

每次UART发送完字符后触发中断，通知CPU继续处理。

最终，字符$通过以下步骤输出到Console：

  1. Shell写入$到buffer。
  2. UART读取$并发送到Console。
  3. 用户看到$

三、附录

(一) XV6 代码解读

首先追踪 trap.c ，我们可以看到 devintr()函数。我们事实上可以根据devintr()函数中去判断，SCAUSE 寄存器判断当前中断是否来自于外设的中断。如果是的话，再调用plic_claim函数来获取中断。

plic_claim函数位于plic.c文件中。在这个函数中，当前CPU核会告知PLIC，自己要处理中断，PLIC_SCLAIM会将中断号返回，对于UART来说，返回的中断号是10。

从devintr函数可以看出，如果是UART中断，那么会调用uartintr函数。我们现在讨论的是向UART发送数据。因为我们现在还没有通过键盘输入任何数据，所以UART的接受寄存器现在为空。会直接跳到运行 uartstart函数

这个函数会将Shell存储在buffer中的任意字符送出。实际上在提示符“”之后，Shell还会输出一个空格字符，write系统调用可以在UART发送提示符“”之后，Shell还会输出一个空格字符，write系统调用可以在UART发送提示符“”的同时，并发的将空格字符写入到buffer中。所以UART的发送中断触发时，可以发现在buffer中还有一个空格字符，之后会将这个空格字符送出。

在多核 CPU 系统中，多个核可能同时访问 UART 缓冲区（比如一个核写数据，另一个核发送数据）。为了保证数据的一致性，驱动程序会通过锁机制来串行化这些操作：

  1. 当一个核执行 uartputc 写数据时，会加锁，防止其他核同时写入。
  2. 当另一个核处理 UART 发送中断时，会加锁，确保只有一个核访问缓冲区。

锁的作用：避免并发访问导致数据冲突，同时确保多个核可以正确地共享一个 UART 缓冲区。

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