先介绍一下什么是APLIC
1. APLIC 的背景与必要性
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为什么需要 APLIC？
APLIC 是 RISC-V 架构中升级版的中断控制器，专门处理通过物理线路（而非电子消息）传递的硬件中断。就像传统邮局处理实体信件，APLIC 负责处理这类 “实体中断信号”。 -
与旧版 PLIC 的区别
APLIC 是 “高级版”，不兼容旧的 PLIC。就像智能手机不兼容老式大哥大，新系统需要 APLIC 才能支持最新的中断管理功能。
2. 何时使用 APLIC？
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无 IMSIC 的系统
如果 CPU 核心（hart）没有 IMSIC（类似智能分拣中心），所有外部中断必须通过 APLIC（或旧版 PLIC）处理。例如，老式电脑只能通过传统邮局（PLIC/APLIC）接收信件。 -
有 IMSIC 的系统
即使 CPU 有 IMSIC（能处理电子消息中断 MSI），某些设备仍可能使用物理线路中断：- 成本原因：像老式打印机，添加电子消息功能太贵，不如直接拉条线更省钱。
- 兼容性：许多设备（如 USB 控制器）必须兼容所有平台，物理线路是通用解决方案。
3. APLIC 的功能与设计
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核心作用
APLIC 就像邮局的分拣中心，负责将物理线路的中断信号转化为 CPU 能处理的格式。例如，将实体信件（线路中断）扫描成电子文档（MSI）再发送给 CPU。 -
多 APLIC 的情况
当设备分布在不同物理位置（如多个芯片），可以部署多个 APLIC：- 每个 APLIC 负责附近设备的中断转换。
- 例如，北京的 APLIC 处理北方设备，上海的 APLIC 处理南方设备。
4. 与旧系统的兼容性
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替代方案
旧的 PLIC 仍可使用，但只能处理物理线路中断，无法支持 MSI。就像老式邮局只能处理实体信件，不能发送电子邮件。 -
Duo-PLIC 的尴尬
曾有一个 “二合一” 设计（Duo-PLIC），可以切换成旧 PLIC 或 APLIC，但可能不会成为标准。类似能插软盘和 U 盘的光驱，但最终 U 盘成为主流。
5. 系统架构示例
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无 IMSIC 的系统
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有 IMSIC 的系统
6. 多 APLIC 的效率问题
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优点：
物理上分散的设备可以就近处理，减少线路延迟。例如，上海的信件直接由上海邮局处理。 -
缺点：
多个 APLIC 需要更多资源（如内存、电力），可能不如一个大 APLIC 高效。就像每个城市都建邮局，成本高于集中处理。
总结比喻
APLIC 是 RISC-V 架构中的 “智能邮局”：
- 处理实体信件（物理线路中断），并将其转换为电子文档（MSI）。
- 比旧邮局（PLIC）更高效，但不兼容旧系统。
- 在分布式系统中，多个 APLIC 可以分工处理不同区域的信件。
- 有了它，即使 CPU 有智能分拣中心（IMSIC），仍能兼容老式设备的中断方式。
一、Interrupt sources and identities
1. 中断源的物理基础
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APLIC 的 "插座"
APLIC 就像一个带多个物理插座的插排，每个插座对应一个中断源。这些插座连接到设备或控制器的中断信号线：- 例如：打印机连接到插座 1，键盘连接到插座 2
- 特殊情况：多个设备的中断信号可以合并到同一个插座（电平触发中断）
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插座编号规则
每个插座的编号是 1 到 N（N 最多 1023），0 号无效。就像酒店房间号从 1 开始，没有 0 号房。
2. 中断标识的作用
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直接传递模式
当 APLIC 直接向 CPU 核心（hart）发送中断时：- APLIC 的插座编号（1-1023）直接作为 hart 的中断 ID
- 例如：插座 5 的中断会被 hart 识别为中断 5
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MSI 转发模式
当 APLIC 将中断转换为电子消息（MSI）时：- 软件会为每个插座分配一个新的 ID（可能与原编号无关）
- 例如：插座 5 的中断可能被重新编号为 ID 100 发送给 hart
3. 两种模式的对比
4. 特殊配置说明
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电平触发中断
多个设备的中断信号可以 "线或" 到同一个插座。例如：- 打印机和扫描仪同时连接到插座 3 的信号线
- 任一设备触发中断，APLIC 都会收到插座 3 的中断
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固定电平插座
插座可以被硬连线为高或低电平：- 高电平：永远触发中断（可能用于测试）
- 低电平：永远不触发中断（可能用于预留）
5. 为什么最大源数是 1023？
- 技术原因：APLIC 使用 10 位寄存器存储中断 ID（2^10=1024）
- 有效范围：排除 0 后，实际可用 1-1023（共 1023 个）
总结比喻
APLIC 的中断源系统就像一个邮件分拣中心：
- 直接投递模式：邮件按原始编号（1-1023）直接送到对应的邮箱（hart）
- 转寄模式：邮件会被重新编号（如转换为 EMS 单号），再通过快递（MSI）发送
- 特殊处理：允许将多封邮件合并到同一个邮箱，或设置某些邮箱为常满 / 空
这种设计兼顾了物理设备的兼容性和电子消息的灵活性，适用于不同复杂度的系统。
二、Interrupt domains
1. 中断域的基本概念
APLIC 可以划分成多个 "中断域"，每个中断域就像一个独立的 "管理小组"：
- 每个小组负责管理特定权限级别的处理器核心（HART）
- 例如分为 "机器级小组" 和 "管理级小组"
- 每个小组有自己的 "控制面板"（内存映射控制区域），但实际都是同一个 APLIC 控制器的不同管理界面
APLIC 就像一家公司，中断域就是不同的部门：
- 机器级域（M 域）：最高管理层（根域），所有中断线首先到达这里
- 管理级域（S 域）：业务部门，处理日常工作（操作系统直接控制）
- 每个部门：有自己的 "办公系统"（内存映射控制区域），但实际共享同一栋办公楼（同一个 APLIC 控制器）
2. 中断域的层次结构
- 根域：必须是机器级域，所有中断线首先到达这里
- 子域：根域可以将部分 "工作任务"（中断源）委派给子域
例如：根域（CEO）将 "打印机管理" 任务交给 IT 部门（子域）
未被委派的任务（中断源）对子域来说 "不存在"
- 编号规则：所有域的中断源编号是统一的（比如源 1 在所有域都指向同一个物理线路）
3. 典型系统架构示例
3.1 一个interrupt domain
只有一个hart并且只支持machine level 的中断域
类似于单核心小公司
- 只有 1 个员工（hart），只能处理最高层（M 域）的工作
- 所有中断直接由根域处理，没有其他部门
machine-level interrupt domain对应hart0的machine模式，可以触发hart0 machine模式的中断。
3.2 两个interrupt domain
下图为SMP系统基本架构，有多个hart，hart支持S mode和M mode。APLIC为supervisor level提供了一个独立的interrupt domain。此interrupt domain允许操作系统直接在S态处理接收到的中断，避免调用M mode来处理中断，提高处理中断的效率。
类似于多核心 SMP 公司
- 4 个员工（harts），分为两个部门：
- M 域：处理硬件维护（如电源故障）
- S 域：处理日常业务（如打印、网络）
- S 域允许操作系统直接管理，无需每次请示 CEO（M 域）
machine-level interrupt domain对应hart0-3的machine模式，可以触发这些hart的machine模式下中断。
supervisor-level interrupt domain对应hart0-3的supervisor模式，可以触发这些hart的supervisor模式下中断。
3.3 三个interrupt domain
APLIC的root domain始终是machine-level interrupt domain。输入的线中断，首先进入根中断域。每个中断域，会有选择地将部分中断域，进行委托给子中断域。
下图是三个中断域的结构，两个在machine-level，一个在supervisor-level。当结合PMP（物理内存保护）使用时，允许软件在machine-level专门为hart0建立一个独立域。
类似于
- 新增 1 个 "经理" 员工（M 域专用）
- 通过 "门禁系统"（PMP 内存保护）将特定任务（中断）隔离给经理，其他员工无法处理
machine-level interrupt domain（Root） 对应Hart0的machine模式，可触发Hart0的machine模式下中断。
machine-level interrupt domain（非Root） 对应Hart1 ~ 4的machine模式，可触发这些Hart的machine模式下中断。
supervisor-level interrupt domain对应Hart1 ~ 4的supervisor模式，可触发这些Hart的supervisor模式下中断。
4. 规则
- 管理级域的父域必须是包含相同核心的机器级域
- 同一域内的所有核心必须使用同一种中断传递方式（全部直接连线或全部 MSI 消息）
- 使用 APLIC 的核心在每个权限级别只能属于一个域
- 使用 IMSIC 控制器的核心可以属于多个域
APLIC 的中断域就像一家公司的部门架构：
- 根域（M 域）：CEO 办公室，处理最紧急的任务
- 子域（S 域）：各业务部门，处理日常工作
- 任务编号：全公司统一的分机号，无论哪个部门都指向同一台设备
- 委派机制：CEO 可以将任务分配给部门，未分配的任务对部门不存在
- 通信方式：同一部门必须使用相同沟通渠道（邮件 / 电话）
这种设计让公司（系统）能够高效管理不同优先级的任务，同时保证安全性和灵活性。
三、Hart index numbers
1. 索引编号的本质：部门内的员工编号
在 APLIC 的中断域中，每个 Hart 的索引编号就像公司部门内的员工编号：
- 范围：0 到 16383（共 16384 个编号）
- 独立性：与 RISC-V 架构分配的全局 Hart ID 无关
- 灵活性：不同部门（中断域）可以给同一批员工（Hart）分配不同的编号
示例：
同一个 Hart（员工）在部门 A 的编号是 5，在部门 B 可能变成 10。
2. 索引编号的作用
- 域内控制：用于中断域内的优先级设置、中断路由等
- 隔离性：不同域的编号系统相互独立，避免冲突
3. MSI 转发时的特殊规则
如果 APLIC 支持通过 MSI（电子消息）转发中断：
- 所有机器级域必须共享相同的索引→Hart 映射
- 这就像多个部门合作时，必须使用统一的员工编号系统
示例：
当部门 A（机器级域）和部门 B（另一个机器级域）都需要通过 MSI 发送消息时，它们的员工编号必须一致。
4. 为什么需要不同的索引？
- 域的独立性：每个域可以独立管理自己的中断路由策略
- 简化配置：避免与全局 Hart ID 的复杂映射
5. 实际应用场景
- 单域系统：索引与 Hart ID 可能相同
- 多域系统：
- 部门 A（管理级域）使用简单编号（0-3）
- 部门 B（机器级域）使用复杂编号（100-103）
- 跨域 MSI：必须统一编号，否则消息无法正确路由
总结比喻
Hart 索引编号就像：
- 部门内的工号：不同部门可以有不同的编号方式
- 跨部门协作时的工牌：必须使用统一编号才能互相识别
这种设计让中断域可以灵活管理自己的资源，同时保证跨域通信的兼容性。
四、Overview of interrupt control for a single domain
1. 中断域的内存映射控制接口
由高级平台级中断控制器（APLIC）实现的每个中断域都有其独立的物理控制接口
- 权限管理：通过 PMP 内存保护 和 基于页的地址转换 控制访问
- 独立性：每个中断域的控制接口都具有相同的结构
- 对于软件而言，每个中断域看起来都像是根域，无法看到其所在层次结构中位于它之上的那些中断域。
2. 中断源的三个核心组件
每个中断源在域内有三个管理设置：
a. 源配置
- 决定设备是否激活（启用 / 禁用）
- 判断输入信号类型（电平触发：持续按压；边沿触发：按一下）
- 未激活时：可以将控制权委派给子部门（子域）
b. 中断待处理位和中断使能位
- 未激活的中断源：这两位均为只读的零值
- 激活的中断源：
- 待处理位：记录未处理的中断
- 使能位：决定当前是否应传递来自该中断源的中断，还是让其中断保持待处理状态
c. 目标选择
- 直接传递模式：指定中断发送给哪个Hart
- MSI 转发模式：为中断分配新的优先级或 ID
APLIC 的多域实现实际上共享源状态，因为每个源最终只在一个域中激活。未被委派的域中的源状态显示为只读零，节省了硬件资源。
