RISC-V AIA学习3---APLIC 第二部分(APLIC 中断域的内存映射控制区域)

每个中断域都有一个专用的内存映射控制区域，用来处理该中断域的中断。

控制区域的大小是 4KB 的倍数，对齐到 4KB 边界。最小的有效控制区域是 16KB。

1. 控制区域的基本结构：部门文件柜

每个中断域就像公司的一个部门，有自己的 "文件柜"（内存映射控制区域）：

大小：至少 16KB（4 个文件柜），必须是 4KB 的整数倍
对齐：文件柜的起始位置必须在 4KB 的边界（如第 0KB、4KB、8KB 等）
文件分类：前 16KB 是通用文件，后面可能有专用任务分配表（IDC 结构）

一个中断域的控制区域，由一组32bit位宽的寄存器组成

2. 通用文件区（前 16KB）

存放所有部门共享的控制文件，例如：

中断使能开关：控制中断域的中断是否启用
优先级阈值：设置可处理的最低优先级任务
全局状态监控：显示当前最高优先级中断等

3. 任务分配表（IDC 结构）

IDC 结构，只有在直接向 harts 传递 interrupt 时使用，而由 MSI 转发interrupt时不会使用。
每个 IDC 结构为 32 字节，并定义如下：

起始位置： 0x4000 （第 16KB 开始）
结构大小：每个hart对应 32 字节的文件袋（包含 5 个寄存器）

寄存器功能：

idelivery：任务分配开关（允许 / 禁止分配任务给该员工）
iforce：强制触发任务（测试用）
ithreshold：员工的任务优先级门槛（仅处理高于该优先级的任务）
topi：显示该员工当前最高优先级任务（中断 ID）
claimi：确认任务完成（清除待处理标记）

总结比喻

APLIC 的中断域内存控制区域就像：

部门文件柜：前 16KB 是部门共用的文件（如部门规章制度）
任务分配表：后续区域是每个员工的任务处理文件袋（仅直接分配任务的部门需要）
文件访问规则：只能用 32 位的方式打开文件，否则会被拒绝
预留机制：即使没有对应的员工，文件袋依然存在但为空

这种设计确保部门可以灵活管理中断，同时节省内存资源，适用于不同复杂度的中断处理场景。

根据本小节描述，中断域的内存映射空间，其寄存器分布情况，可整理为如下图所示：

2.1 Domain configuration(domaincfg)

domaincfg 就像部门的总控开关，控制整个中断域的行为。它的 32 位布局如下：

IE（Interrupt Eable）位
指示所在中断域的所有有效中断源的全局使能标志。
只有IE=1时，pending和enable同时置位的中断，才会投递到目标hart。

0 → 所有中断被禁用（即使设备触发，部门也不处理）
1 → 允许处理符合条件的中断

DM（Delivery Mode）位
选择中断的投递方式，其定义如下：

0 → 直接传递模式（APLIC 直接发送中断给 Hart）
1 → MSI 转发模式（APLIC 将中断转为电子消息发送给 IMSIC）

如果 Hart 有 IMSIC，且其 eidelivery 寄存器不支持特定值（0x40000000），直接传递模式会被禁用（相当于 IE=0）。也就是说，如果eidelivery不支持0x4000_0000，即便将DM置0，欲使用直接投递，也无法实际投递到Hart。

BE (big-Endian)位
它确定 interrupt domain 的寄存器byte的顺序。（在现今主流的 CPU 中，最常见的字节顺序有两种，分别是 Big-Endian 与 Little-Endian。Big-Endian 是指数据放进内存中的时候，最高位的字节会放在最低的内存地址上；而 Little-Endian 则是刚好相反，它会把最高位的字节放在最高的内存地址上。）

如果BE = 0，表示byte顺序为little-endian
如果 BE = 1，表示为big-endian。
在系统重置时，domaincfg 中的所有可写位，都被初始化为零，包括 IE。

2.2 Source configurations(sourcecfg[1]-sourcecfg[1023])

对于每一个可能的中断源 i，寄存器 sourcecfg [i] 控制着该中断源 i 在这个中断域中的源模式，以及该中断源对子域的任何委托情况。

当中断源 i 未被实现，或者在这个域中看起来未被实现时，sourcecfg [i] 为只读的零值。

如果中断源 i 之前没有被委托到这个域，而后（在父域中）被更改成委托到这个域，那么 sourcecfg [i] 会一直保持为零，直到成功写入一个非零值为止。

sourcecfg [i] 就像每个设备（中断源 i）的配置开关，控制设备在当前部门（中断域）的工作模式。它有两种工作模式：

模式 1：委托给子中断域（D=1）

子域索引：选择将中断源委托给哪个中断域

当中断源i，被委托给子域时，sourcecfg[i]有这样的格式：

具体委托到哪一个child domain，bit9:0指示委托到的child domain index（如果该parent domain包含C个child domain，则child domain index的范围为1-C）。

例如，当 D=1 时，假设某个中断源被委托给子域 3，那么当前域不再处理该中断，而是由子域 3 处理。这时候，sourcecfg [i] 的子域索引字段会被设置为 3。如果当前域是叶子域（无子域），设置 D=1 会导致寄存器被清零。

模式 2：当前中断域处理（D=0）

SM 模式：设置设备的触发方式

当中断源i，不委托给子域时，sourcecfg[i]有这样的格式：

此时bit9:0的含义发生变化，仅使用bit2:0来指示SM (Source Mode)，表示中断源i是否有效，以及其对应的中断类型。（所有其他的寄存器位，都被保留并读取为零）

SM 模式（Source Mode）字段是WARL，它控制中断源在这个域中，是否处于活动状态。
如果是，那么入线（incoming wire）上的哪些值或转换，被解释为中断。
下表列出了SM允许的值及其含义：

字段SM始终支持Inactive(默认状态下)。

设备状态与寄存器行为

非激活状态（D=1 或 SM=Inactive）：
- 中断待处理位（eip [i]）：只读 0
- 中断使能位（eie [i]）：只读 0
- 目标寄存器（target [i]）：只读 0
激活状态（D=0 且 SM≠Inactive）：
- 如果源i从非活动模式变为活动模式，中断源的pending和enable位保持为零，除非由于本节后面指定的原因自动设置，并且target[i]定义的子字段获得UNSPECIFIED值。
- 设备信号经过反向处理（rectified input）：
  - 如果设备是反向配置（如 Edge0/Level0），输入信号取反
- 写入 sourcecfg 可能自动设置待处理位：
  - 当新配置的 rectified 输入为高电平时，自动触发中断

以下通过几个例子说明说明

示例 1：委托中断源给子域

场景：公司总部（根域）有一个打印机中断源（编号 5），现在需要将其委托给 IT 部门（子域 3）处理。

配置步骤：
- 写入 sourcecfg[5] = 0b100_0000_0011（二进制）
  - bit10 (D) = 1：启用委托
  - bits9:0 (Child Index) = 3：指定子域 3
效果：
- 根域不再处理打印机中断
- 子域 3 的 sourcecfg[5] 会显示为只读 0（需由子域主动配置）

示例 2：配置边沿触发的键盘中断

场景：部门需要将键盘中断（编号 2）配置为上升沿触发（正常模式）。

配置步骤：
- 写入 sourcecfg[2] = 0b0100（二进制）
  - bit10 (D) = 0：本地处理
  - bits2:0 (SM) = 4：Edge1 模式
效果：
- 键盘按下瞬间（物理信号从 0→1）触发中断
- 松开时（1→0）不会触发

示例 3：反向电平触发的鼠标中断

场景：部门需要将鼠标中断（编号 3）配置为松开按钮时触发（低电平触发）。

配置步骤：
- 写入 sourcecfg[3] = 0b0_111（二进制）
  - bit10 (D) = 0：本地处理
  - bits2:0 (SM) = 7：Level0 模式
效果：
- 鼠标按钮松开时（物理信号 0）触发中断
- 按下时（1）不触发

示例 4：Detached 模式的软件中断

场景：部门需要创建一个软件模拟的中断（编号 10），通过代码触发。

配置步骤：
- 写入 sourcecfg[10] = 0b0_001（二进制）
  - bit10 (D) = 0：本地处理
  - bits2:0 (SM) = 1：Detached 模式
效果：
- 忽略物理信号
- 可通过 setipnum = 10 手动触发中断

示例 5：叶子域的委托失败

场景：某个部门是叶子域（无子域），尝试将设备 7 委托给子域 0。

配置步骤：
- 写入 sourcecfg[7] = 0b1_00000000000（二进制）
效果：
- 硬件检测到无子域，自动将 sourcecfg[7] 清零
- 委托失败，设备 7 仍由当前域处理

总结

通过这些示例，可以看到 sourcecfg 寄存器通过 委托机制 和 触发模式配置，实现了中断源的灵活管理：

委托机制：将任务分配给子部门（子域）处理
触发模式：支持按钮、开关等不同类型的硬件设备
反向配置：允许设备使用相反的逻辑电平
软件触发：通过 setipnum 实现完全软件控制的中断

这种设计让中断控制器既能处理硬件设备的多样性，又能支持复杂的分层管理需求。

2.3 machine MSI address configuration(mmsiaddrcfg and mmsiaddrcfgh)

对于machine level的中断域，寄存器mmsiaddrcfg和mmsiaddrcfgh将提供传出的MSI地址参数。

如果APLIC的中断域，没有支持MSI投递模式，则此两个寄存器没有作用。
对于支持MSI投递模式的APLIC：
a. 在根中断域，需要实现这两个寄存器，且寄存器的属性是只写；
b. 对于其他的Machine level的中断域，可以选择性的支持，且寄存器的属性是只读；
c. 对于Supervisor level的中断域，不能实现这两个寄存器，且只读0。

mmisaddrcfg格式如下:

mmsiaddrcfgh格式如下:

mmsiaddrcfgh.High Base PPN与mmsiaddrcfg.Low Base PPN连接成一个44 bit的物理页基地址（PPN base）。
这个值（PPN base）和字段HHXs (High Hart Index Shift)、LHXS (Low Hart Index Shift)、HHXW (High Hart Index Width)和LHXW (Low Hart Index Width)，用于确定msi的目标地址的使用（将在后续章节描述）。

示例 1：公司总部配置 MSI 地址（根域）

场景：公司总部（根域）需要为所有部门（Hart）配置 MSI（电子消息）的目标地址。

寄存器配置：
- mmsiaddrcfg = 0x12345678（低 32 位 PPN）
- mmsiaddrcfgh = 0x80000000（高 12 位 PPN=0，L=1）
生成的 44 位 Base PPN：
- 高 12 位（来自 mmsiaddrcfgh）：0x000
- 低 32 位（来自 mmsiaddrcfg）：0x12345678
- 完整 Base PPN：0x00012345678
地址生成逻辑：
- 每个 Hart 的地址 = Base PPN + Hart 索引偏移
- 例如，Hart 5 的地址 = 0x00012345678 + 5*4 = 0x00012345690

示例 2：锁定寄存器配置（L 位 = 1）

场景：总部配置完成后，希望防止后续修改。

操作步骤：
- 写入 mmsiaddrcfgh.L = 1
- 寄存器被锁定，无法再写入，只可读
效果：
- 其他域（如分公司）只能读取锁定的配置
- 即使根域尝试修改，写入会被忽略
- 之前的配置值（如 Base PPN）被保留，但无法通过寄存器读取

示例 3：分公司域的只读权限

场景：分公司域（非根域）需要使用总部配置的 MSI 地址。

寄存器状态：
- mmsiaddrcfg：只读，值与根域相同
- mmsiaddrcfgh：只读，L=1，其他字段与根域相同
地址生成：
- 分公司域使用总部的 Base PPN 生成自己的 MSI 地址
- 无法修改配置，确保所有域的地址一致

示例 4：硬件固定地址的简化实现

场景：某些 APLIC 硬件直接固定 MSI 地址，无需软件配置。

寄存器配置：
- mmsiaddrcfg = 0x00000000
- mmsiaddrcfgh = 0x80000000（L=1）
地址生成：
- Base PPN = 0x00000000000
- Hart 地址直接使用固定公式（如 0x40000000 + Hart索引*4）
- 寄存器配置不影响实际地址，仅用于兼容

关键注意事项

权限控制：
- 只有根域可以写入这些寄存器
- 其他域只能读取，确保配置一致性
锁定机制：
- L 位 = 1 时，寄存器变为只读
- 防止未授权修改，提高系统安全性
地址生成：
- Base PPN 由高低 PPN 拼接而成
- HHXS/LHXS 调整 Hart 索引的偏移
- HHXW/LHXW 确定 Hart 索引的有效范围
硬件兼容性：
- 硬件可固定地址，寄存器配置为默认值
- 复杂地址生成可通过自定义机制实现

总结

通过这些示例，可以看到 mmsiaddrcfg 和 mmsiaddrcfgh 寄存器通过 物理页号配置 和 Hart 索引调整，实现了 MSI 地址的灵活生成：

根域权限：只有总部（根域）可以设置和锁定地址
地址生成：根据 Base PPN 和 Hart 索引生成目标地址
锁定机制：防止配置被篡改，确保系统稳定性
硬件适配：支持固定地址或复杂地址生成方式

这种设计让 APLIC 能够兼容不同硬件架构，同时提供安全的中断消息路由功能。

2.4 supervisor MSI address configuration(smsiaddrcfg and smsiaddrcfgh)

核心概念

MSI：消息信号中断（Message Signaled Interrupt），通过写入特定内存地址触发中断。
smsiaddrcfg/smsiaddrcfgh：寄存器，用于配置超级用户级（Supervisor）域发送 MSI 时的目标地址。

1. 寄存器的存在条件

只有机器级（Machine）域实现了mmsiaddrcfg/mmsiaddrcfgh寄存器，且APLIC存在至少一个超级用户级中断域。否则这两个寄存器的地址位置是只读的零（像其他保留位一样）。

2. 可写性规则

根域（Root Domain）：可以写入这两个寄存器（但受mmsiaddrcfgh.L位限制）。
其他机器级域：寄存器是只读的，且内容与根域的相同。

3. 寄存器结构

smsiaddrcfg（32 位）：
- 低 32 位：低基物理页号（Low Base PPN）

smsiaddrcfgh（32 位）：
- 高 12 位：高基物理页号（High Base PPN）。
- LHXS 字段（位 22-20）：用于调整目标地址的低 hart 索引偏移
- 其他位：保留，读为零。

4. 地址组合方式

44 位基物理页号：由High Base PPN（12 位）和Low Base PPN（32 位）拼接而成。
LHXS 的作用：可能用于调整 hart 索引的偏移量，从而生成不同的目标地址

5. 锁定机制（mmsiaddrcfgh.L 位）

当 L 位 = 1 时：
- mmsiaddrcfg/mmsiaddrcfgh和smsiaddrcfg/smsiaddrcfgh均被锁定为只读。
- 如果mmsiaddrcfg和mmsiaddrcfgh的可见值为0和0x80000000，则smsiaddrcfg/smsiaddrcfgh也会被隐藏，读为零。
- 例外：根域在 L 位设置前写入的值会被保留，但无法再通过寄存器读取。

6. 系统复位的特殊情况

如果复位时根域的mmsiaddrcfgh.L=1，且所有 MSI 地址配置字段始终为零：
- APLIC 可能使用非标准方法确定 MSI 地址

7. 非根域的行为

非根域的smsiaddrcfg/smsiaddrcfgh是根域寄存器的只读副本。
它们的值无法修改，完全由根域控制。

示例 1：根域配置 Supervisor MSI 地址

场景：公司总部（根域）需要为所有 Supervisor 级部门配置 MSI（电子消息）的目标地址。

寄存器配置：
- smsiaddrcfg = 0x9ABCDEF0（低 32 位 PPN）
- smsiaddrcfgh = 0x001（高 12 位 PPN=1，LHXS=0）
生成的 44 位 Base PPN：
- 高 12 位（来自 smsiaddrcfgh）：0x001
- 低 32 位（来自 smsiaddrcfg）：0x9ABCDEF0
- 完整 Base PPN：0x0019ABCDEF0
地址生成逻辑：
- 每个 Hart 的地址 = Base PPN + Hart 索引 * 4
- 例如，Hart 3 的地址 = 0x0019ABCDEF0 + 3*4 = 0x0019ABCDEF0 + 0xC = 0x0019ABCDEF0C