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Gestionnaire d'interruptions

IMPORTANT
Avant de faire cette séance, vous devez avoir lu les documents suivants :

• Cours sur le gestionnaire d'interruption et les threads : obligatoire
• Document sur l'assembleur du MIPS et la convention d'appel des fonctions : recommandé, mais déjà lu
• Documentation sur le mode kernel du MIPS32 : fortement recommandé

A. Rappel de cours

Il est fortement recommandé de lire les transparents, toutefois, mais nous avons mis ci-après quelques rappels utiles pour répondre aux questions du TD.

Dans cette séance, nous allons manipuler 3 contrôleurs de périphériques: Le TTY que vous connaissez déjà et deux autres, l'ICU et le TIMER. Ces trois contrôleurs s'utilisent grâce à des registres mappés (placés) dans l'espace d'adressage du MIPS. Les registres du TTY sont placés à partir de l'adresse 0xd0200000, ceux de l'ICU à partir de l'adresse 0xd2200000 et enfin ceux du TIMER à partir de l'adresse 0xd3200000. Le rôle de ces registres est rappelé en partie dans ce texte et pour plus de détails, vous devez revoir le cours. Le choix des adresses de ces contrôleurs est fait par le créateur du matériel, elles ne peuvent pas être changées par le logiciel. Ces adresses sont données dans le fichier ldscript du kernel (kernel.ld) parce qu'elles ne sont utilisables que si le MIPS est en mode kernel (adresses > 0x80000000).

Les IRQ (Interrupt ReQuest)s sont des signaux électriques à 2 états (ON/OFF ou Actif/Inactif ou encore Levé/Baissé). Les IRQ sont levés par les contrôleurs de périphériques pour prévenir d'un événement (fin de commande, arrivée d'une donnée, etc.). Les IRQs provoquent l'exécution d'ISR (Interrupt Service Routine) par le noyau. Les ISR sont des fonctions qui reçoivent en argument un identifiant du contrôleur de périphérique qui a levé l'IRQ. Une ISR doit faire deux choses, (1) accéder aux registres du contrôleur de périphérique concerné pour faire ce que le périphérique demande et (2) acquitter l'IRQ, c'est-à-dire demander au contrôleur de périphérique de baisser/désactiver son IRQ (puisque celle-ci a été traitée). La demande d'acquittement est spécifique à chaque contrôleur de périphérique. Pour le TTY, il faut lire le registre TTY_READ. Pour le TIMER, il faut écrire dans le registre TIMER_RSTIRQ.

Les IRQ sont des signaux d'état qui doivent rester levés/activés tant qu'ils n'ont pas été acquittés par une ISR. Quand une IRQ se lève, la conséquence est que le programme en cours d'exécution sur le processeur recevant l'IRQ est interrompu et qu'il est dérouté vers le noyau pour que ce dernier exécute l'ISR prévue pour l'IRQ. Notez que ce n'est pas le processeur qui est interrompu, c'est bien le programme, car le processeur est seulement dérouté vers le noyau, mais il continue à travailler.

Sur le schéma de la plateforme des TP, on peut voir que seuls les composants TTY et TIMER peuvent lever des IRQ. Les IRQ de ces contrôleurs de périphériques sont envoyés au composant ICU qui va les combiner pour produire un unique signal IRQ pour le processeur.

Une IRQ peut être masquée, c'est-à-dire que le processeur ne va pas interrompre le programme en cours. Le masquage peut être demandé à plusieurs endroits : dans le composant ICU et dans le processeur lui-même. Le masquage est demandé par le noyau, le plus souvent de manière temporaire, quand il doit exécuter un code critique qui ne doit surtout pas être interrompu.

Sur le schéma ci-dessus, on voit que l'IRQ du TTY0 est reliée à l'entrée n°10 de l'ICU, c'est un choix matériel qui n'est pas modifiable par logiciel. Son état est donc enregistré dans le bit n°10 du registre ICU_STATE. Il y a un AND avec le bit 10 du registre ICU_MASK. Si le bit 10 du registre ICU_MASK est à 0, alors la sortie du AND est 0 et l'IRQ est masquée (donc invisible pour le processeur). Le registre ICU_HIGHEST contient toujours le numéro de l'IRQ active la plus prioritaire, comme il n'y en a qu'une dans cet exemple, ICU_HIGHEST contient 10 (l'IRQ prioritaire, pour cette ICU, est l'IRQ active dont le numéro est le plus petit). L'IRQ de l'ICU est reliée à l'entrée 0 des 6 IRQs possibles du MIPS et sa valeur s'inscrit dans le registre HWI0 du registre c0_cause. Il y a un AND avec le bit HWI0 du registre c0_status. Si le bit HWI0 du registre c0_status est à 0, alors la sortie du AND est 0 et l'IRQ est aussi masquée. Enfin, il y a un dernier AND avec le bit 0 de c0_status (correspondant au bit IE pour Interrupt Enable) qui permet de masquer globalement les IRQ et avec le NOT du bit 1 de c0_status (correspondant au bit EXL EXception Level).

Quand le signal IRQ vue par le MIPS s'active (passe à 1), c'est que l'IRQ levée par le contrôleur de périphérique doit être prise en charge. Le programme en cours d'exécution est interrompu et dérouté vers kentry à l'adresse 0x80000180 et en même temps C0_EPC ← PC+4, c0_cause.XCODE ← 0, c0_status.EXL ← 1. Notez que le nom officiel de c0_status est C0_SR, mais dans ce document, on utilise c0_status pour plus de clarté.

Dans le schéma ci-après, à gauche c'est le matériel et à droite c'est un extrait de la RAM contenant les structures de données utilisées par le noyau pour la gestion des IRQ.

• À gauche, on voit que les IRQ venant des contrôleurs de périphériques sont connectés aux entrées d'IRQ de l'ICU. Il y a 32 entrées possibles. Sur notre plateforme, par exemple l'IRQ du TTY2 est connectée à l'entrée 12 de l'ICU. Ce numéro d'entrée est le numéro qui identifie le contrôleur de périphérique. Notez que le registre ICU_MASK est en lecture seul, c'est-à-dire qu'il ne peut pas être écrit directement. Pour modifier le contenu du registre ICU_MASK, il faut utiliser deux autres registres de l'ICU: ICU_SET et ICU_CLEAR. ICU_SET permet de mettre à 1 les bits de ICU_MASK, et ICU_CLEAR permet de les mettre à 0. Pour mettre à 1 le bit i du registre ICU_MASK, il faut écrire 1 dans le bit i du registre ICU_SET. Pour mettre à 0 le bit j du registre ICU_MASK, il faut aussi écrire 1, mais dans le bit j du registre ICU_CLEAR.
  
  
• À droite, il y a les deux tableaux que le noyau utilise pour connaitre l'ISR à exécuter pour chaque numéro d'IRQ. Ce couple de tableaux se nomme vecteur d'interruption et comme il y a 32 entrées d'IRQ dans l'ICU, ces tableaux ont 32 cases chacun. Ici, le vecteur d'interruption est composé des tableaux IRQ_VECTOR_ISR[] et IRQ_VECTOR_DEV[]. Le vecteur d'interruption est indexé par les numéros d'IRQ. Il contient deux informations: (1) dans la case n°i du tableau IRQ_VECTOR_ISR[], on trouve le pointeur sur la fonction ISR à appeler si l'IRQ n°i est levée, et (2) dans la case n°i du tableau IRQ_VECTOR_DEV[], on trouve le numéro de l'instance du périphérique. Cette dernière information est nécessaire dans le cas des contrôleurs de périphérique multi-instances comme le TTY afin de savoir quel jeu de registres la fonction ISR doit utiliser. En effet, il y a une fonction ISR unique à exécuter quel que soit le numéro du TTY, l'adresse de cette fonction est placée dans les cases 10, 11, 12, et 13 du tableau IRQ_VECTOR_ISR[] (si on a 4 TTYs) et dans les cases 10, 11, 12, et 13 du tableau IRQ_VECTOR_DEV[], on a les valeurs 0, 1, 2 et 3 qui correspondent bien au numéro d'instance des TTYs.

Enfin, nous rappelons les 3 registres du coprocesseur système (c0) qui sont utilisés au moment de l'entrée dans le noyau, quelle que soit la cause : syscall (vu la semaine dernière), interruption (TD de cette semaine) et exception (dans le cas de problèmes lors de l'exécution du programme comme la division par 0). On rappelle aussi que les seules instructions qui peuvent manipuler ces registres sont mtc0 et mfc0 pour, respectivement, les écrire et les lire.

Les bits HWI0 des registres c0_status (aussi nommé c0_sr) et c0_cause contiennent respectivement le mask et le l'état de l'entrée n°0 d'interruption du MIPS. Les bits UM, IE et EXL sont liés au mode d'exécution du MIPS: UM est le bit de mode du MIPS (1=User Mode, 0=Kernel Mode), IE est le bit de masque général des interruptions (1=autorisées, 0=masquées) et enfin EXL est le bit que le MIPS met à 1 à l'entrée dans le noyau pour informer d'un niveau exceptionnel et dans ce cas les bits UM et IE ne sont plus significatifs, si EXL est à 1 alors le MIPS est en mode kernel, et les interruptions sont masquées.

B. Travaux Dirigés

La majorité des réponses aux questions ci-après sont dans le rappel du cours donné au début de cette page, c'est voulu.

1. À quelles adresses dans l'espace d'adressage sont placés les registres des 3 contrôleurs de périphériques de la plateforme et comment le kernel les connaît ?
2. Que signifie l'acronyme I.R.Q. ?
3. Une IRQ est un signal électrique, combien peut-il avoir d'états ?
4. Qu'est-ce qui provoque une IRQ ?
5. Les IRQ relient des composants sources et des composants destinataires, quels sont ces composants ? Donnez un exemple.
6. Que signifie masquer une IRQ ?
7. Quels composants peuvent masquer une IRQ ?
8. Est-ce qu'une application utilisateur peut demander le masquage d'une IRQ ?
9. Que signifie l'acronyme I.S.R. ?
10. Dans la plateforme des TPs, sur quelles entrées de l'ICU sont branchées les IRQ venant des TTYs et du TIMER ?
11. Quelle valeur faut il avoir dans le registre ICU_MASK si on veut recevoir seulement les IRQ venant des 4 TTYs, dans le cas de la plateforme utilisée en TP ? Donnez le nombre en binaire et en hexadécimal.
12. L'écriture dans ICU_MASK n'est pas possible, comment modifier ce registre pour mettre à 1 le bit 0 ?
13. Sur une plateforme (autre que celle des TP) sur laquelle on aurait un TTY0 sur l'entrée 5, un TIMER sur l'entrée 2, et un autre TTY1 sur l'entrée 14. Que doit-on faire pour que seuls le TTY1 et le TIMER soient démasqués et que TTY0 soit masqué ?
    Si les 3 IRQ se lèvent au même cycle, quelles seront les valeurs des registres ICU_STATE, ICU_MASK et ICU_HIGHEST ?
14. Dans quel mode est le processeur quand il traite une IRQ ?
15. Que fait le processeur lorsqu'il reçoit une IRQ masquée ?
16. Que signifie acquitter une IRQ ?
17. Qui demande l'acquittement à qui ?
18. Comment demande-t-on l'acquittement ?
19. Est-ce qu'une IRQ peut se désactiver sans intervention du processeur ?
20. Est-ce qu'une IRQ peut ne pas être attendue par le noyau ?
21. Quelle est la valeur du champ XCODE du registre c0_cause à l'entrée dans le noyau en cas d'interruption ?
22. Quelle est la valeur écrite dans le registre c0_EPC à l'entrée dans le noyau en cas d'interruption ?
23. Que se passe-t-il dans le registre c0_status à l'entrée dans le noyau en cas d'interruption et quelle est la conséquence ?
24. La routine kentry (entrée du kernel à l'adresse 0x80000180) appelle le gestionnaire d'interruption quand le MIPS reçoit une IRQ non masquée, que fait ce gestionnaire d'interruption ?
25. À l'entrée dans le noyau, kentry analyse le champ XCODE du registre de c0_cause et si c'est 0 alors il saute au code donné ci-après (ce n'est pas exactement le code que vous pouvez voir dans les fichiers sources pour que ce soit plus facile à comprendre).

    cause_irq:
        addiu   $29,    $29,    -23*4       // 23 registers to save (18 tmp regs+HI+LO+$31+EPC+SR)
        mfc0    $27,    $14                 // $27 <- EPC (addr of syscall instruction)
        mfc0    $26,    $12                 // $26 <- SR (status register)
        sw      $31,    22*4($29)           // $31 because, it is lost by jal irq_handler
        sw      $27,    21*4($29)           // save EPC (return address of IRQ)
        sw      $26,    20*4($29)           // save SR (status register)
        mtc0    $0,     $12                 // SR <- kernel-mode without INT (UM=0 ERL=0 EXL=0 IE=0)
        sw      $1,     1*4($29)            // save all temporary registers including HI and LO
        sw      $2,     2*4($29)            
        [etc. pour les autres sauvegardes des registres temporaires]                              
    
        jal     irq_handler                 // call the irq handler fontion écrite en C
    
        lw      $1,     1*4($29)            // restore all temporary registers including HI and LO
        lw      $2,     2*4($29)
        [etc. pour les autres restaurations des registres temporaires]   
        lw      $26,    20*4($29)           // get old SR
        lw      $27,    21*4($29)           // get return address of syscall
        lw      $31,    22*4($29)           // restore $31
        mtc0    $26,    $12                 // restore SR
        mtc0    $27,    $14                 // restore EPC
        addiu   $29,    $29, 23*4           // restore the stack pointer
        eret                                // jr C0_EPC AND C0_SR.EXL <= 0
    

    Pourquoi, ne pas sauver les registres persistants ?
26. La fonction irq_handler() a pour mission d'appeler la bonne ISR. Dans le code qui suit (extrait du fichier kernel/harch.c), on voit d'abord la déclaration de la structure qui décrit les registres présents dans l'ICU. En fait c'est un tableau de structures parce qu'il y a autant d'instances d'ICU que de processeurs (donné par NCPUS), ici, il y a un seul processeur MIPS, donc NCPUS=1.

    struct icu_s {
        int state;          // state of all IRQ signals
        int mask;           // IRQ mask to chose what we need for this ICU
        int set;            // IRQ set   --> enable specific IRQs for this ICU
        int clear;          // IRQ clear --> disable specific IRQs for this ICU
        int highest;        // highest pritority IRQ number for this ICU
        int unused[3];      // these 3 registers are not used
    }; 
    extern volatile struct icu_s __icu_regs_map[NCPUS];
    
    static int icu_get_highest (int icu) {
        return __icu_regs_map[icu].highest;
    }
    
    static void icu_set_mask (int icu, int irq) {
        __icu_regs_map[icu].set = 1 << irq;
    }
    
    void irq_handler (void) {
        int irq = icu_get_highest (cpuid());       
        irq_vector_isr[irq] (irq_vector_dev[irq]);
    }
    
    

    La déclaration extern volatile struct icu_s __icu_regs_map[NCPUS]; informe le compilateur que le symbole __icu_regs_map est défini ailleurs et que c'est un tableau de structures de type struct icu_s. Ainsi, le compilateur gcc sait comment utiliser la variable __icu_regs_map.
    
    Dans quel fichier est défini __icu_regs_map ?
    Que font les fonctions icu_get_highest(), icu_set_mask() et irq_handler()?
    Comment s'appelle le couple de tableaux irq_vector_isr[irq] et irq_vector_dev[irq] ?
    Combien ont-il de cases ?
27. Si ICU_HIGHEST contient 10 (dans le cas de notre plateforme) que doit faire la fonction irq_handler()
28. Que fait la fonction icu_set_mask (int icu, int irq) ?
29. Les registres du TIMER sont définis dans le code du noyau de la façon suivante :

    struct timer_s {
        int value;          // timer's counter : +1 each cycle, can be written
        int mode;           // timer's mode : bit 0 = ON/OFF ; bit 1 = IRQ enable
        int period;         // timer's period between two IRQ
        int resetirq;       // address to acknowledge the timer's IRQ
    };
    extern volatile struct timer_s __timer_regs_map[NCPUS];
    

    Écrivez le code de la fonction static void timer_init (int timer, int tick) qui initialise la période du timer n° timer avec l'entier nommé tick et active les IRQ si la période donnée est non nulle.
30. La configuration des périphériques et des interruptions est faite dans la fonction arch_init() appelée par kinit().
    Écrivez les instructions C permettant d'ajouter le TIMER dans le noyau avec un tick de 1000000 (1 million de cycles). Il faut (1) initialiser le timer ; (2) démasquer l'IRQ venant du timer dans l'ICU, elle connectée sur son entrée n°0 ; (3) initialiser le vecteur d'interruption avec la fonction timer_isr pour ce timer 0.

C. TME sur les interruptions

Dans le premier TME, vous avez réalisé un petit jeu dans lequel vous deviez deviner un nombre tiré au hasard. Ce jeu avait été mis dans kinit parce qu'à ce moment, il n'y avait pas encore d'application utilisateur. Nous vous proposons de mettre le jeu dans l'application user et de limiter le temps pendant lequel vous pouvez jouer. Nous allons vous guider pas-à-pas.

Récuperez l'archive du code du tp3, placez-là dans le répertoire kO6 et décompressez-là. Les commandes ci-dessous supposent que vous avez mis l'archive dans le répertoire k06

cd ~/k06
tar xvzf tp3.tgz 
cd tp3/1_gameover

Le code de l'application est le suivant (dans uapp/main.c)

#include <libc.h>
int main (void)
{
    int guess;
    int random;
    char buf[8];
    char name[16];

    fprintf(0,"Tapez votre nom : ");
    fgets(name, sizeof(name), 0);
    if (name[strlen(name)] == '\n')
        name[strlen(name)] = 0;
    srand(clock()); // start the random generator with a "random" seed.

    random = 1 + rand() % 99;
    fprintf(0,"Donnez un nombre entre 1 et 99: ");
    do {
        fgets(buf, sizeof(buf), 0);
        guess = atoi (buf);
        if (guess < random)
            fprintf(0,"%d est trop petit: ", guess);
        else if (guess > random)
            fprintf(0,"%d est trop grand: ", guess);
    } while (random != guess);

    fprintf(0,"\nGagné %s\n", name);
    return 0;
}

1. Essayez le jeu (dans le répertoire tp3/1_gameover) : tapez make exec
   comme vous pouvez le constater, vous avez le temps de jouer.
2. Dans la version précédente du gestionnaire de syscall, nous avions masqué les IRQ en écrivant 0 dans le registre c0_status(registre $12 du coprocesseur 0). Cela avait pour conséquence de mettre tout à 0, entre autre le bit IE. Il faut modifier ça, parce que sinon, lorsque l'utilisateur demandera à lire le clavier avec l'appel système fgets(), l'IRQ venant du timer ne sera jamais prise en compte (TODO1), ensuite au retour de la fonction qui réalise l'appel système, il faut masquer les IRQ pour ne pas avoir d'interruption pendant la restauration des registres jusqu'au eret qui fait sortir du kernel.

       addiu   $29,    $29,    -8*4        // context for $31 + EPC + SR + syscall_code + 4 args
       mfc0    $27,    $14                 // $27 <- EPC (addr of syscall instruction)
       mfc0    $26,    $12                 // $26 <- SR (status register)
       addiu   $27,    $27,    4           // $27 <- EPC+4 (return address)
       sw      $31,    7*4($29)            // save $31 because it will be erased 
       sw      $27,    6*4($29)            // save EPC+4 (return address of syscall)
       sw      $26,    5*4($29)            // save SR (status register)
       sw      $2,     4*4($29)            // save syscall code (useful for debug message)
   // TODO1: remplacez "mtc0 $0, $12" par 2 autres pour mettre 1 dans les bits c0_sr.HWI0 et c0_sr.IE
   // vous pouvez utiliser $26
       mtc0    $0,     $12                 // SR <- kernel-mode without INT (UM=0 ERL=0 EXL=0 IE=0)
   
       la      $26,    syscall_vector      // $26 <- table of syscall functions
       andi    $2,     $2,     SYSCALL_NR-1// apply syscall mask 
       sll     $2,     $2,     2           // compute syscall index (mutiply by 4)
       addu    $2,     $26,    $2          // $2 <- & syscall_vector[$2]
       lw      $2,     ($2)                // at the end: $2 <- syscall_vector[$2]
       jalr    $2                          // call syscall function
   
   // TODO2: Il faut mettre 0 dans SR pour masquer les interruptions
       lw      $26,    5*4($29)            // get old SR
       lw      $27,    6*4($29)            // get return address of syscall
       lw      $31,    7*4($29)            // restore $31 (return address of syscall function)
       mtc0    $26,    $12                 // restore SR
       mtc0    $27,    $14                 // restore EPC
       addiu   $29,    $29,    8*4         // restore stack pointer
       eret                                // return : jr EPC with EXL <- 0
   

3. Ouvrez le fichier kernel/kinit.c. Dans cette fonction, on appelle archi_init() avec en paramètre un nombre qui va servir de période d'horloge. Le simulateur de la plateforme sur les machines de la PPTI va environ à 3.5MHz. Combien de secondes demande-t-on dans ce code ?
4. Ouvrez le fichier kernel/harch.c et vous allez devoir remplir 3 fonctions pour configurer le timer: arch_init(), timer_init() et timer_isr() (pour trouver ces fonctions cherchez le mot TODO)

   void arch_init (int tick)
   {
   // TODO A remplir avec 4 lignes :
   // 1) appel de la fonction timer_init pour le timer 0 avec tick comme période
   // 2) mise à 1 du bit 0 du registre ICU_MASK en utilisant la fonction icu_set_mask()
   // 3) initialisation de la table irq_vector_isr[] vecteur d'interruption avec timer_isr() 
   // 4) initialisation de la table irq_vector_dev[] vecteur d'interruption avec 0
   }
   static void timer_init (int timer, int tick)
   {
   // TODO A remplir avec 2 lignes :
   // 1) initialiser le registre period du timer n°timer avec la période tick (reçus en argument)
   // 2) initialiser le registre mode   du timer n°timer avec 3 (démarre le timer avec IRQ demandée) si la période est non nulle
   }
   static void timer_isr (int timer)
   {
   // TODO A remplir avec 3 lignes :
   // 1) Acquiter l'interruption du timer en écrivant n'importe quoi dans le registre resetirq
   // 2) afficher un message "Game Over" avec kprintf()
   // 3) appeler la fonction kernel exit() (c'est une sortie définitive ici)
   }
   

5. Dans ce qui précède, l'exécution de l'ISR du Timer est fatale puisqu'elle stoppe l'application après l'affichage de "Game Over!". Nous vous proposons de modifier l'ISR afin d'avoir un comportement un peu plus réaliste. Dans cette nouvelle version, l'ISR du timer décrémente un compteur alloué dans une variable globale du noyau puis elle revient dans l'application tant que ce compteur est différent de 0. Donc, dans l'ISR du timer si le compteur est différent de 0, elle affiche un message avec la valeur du compteur, sinon elle affiche "game over!" et stoppe l'application, comme dans l'exercice précédent.
   
   Par exemple, au lieu d'afficher:

      _     ___    __ 
     | |__ /'v'\  / / 
     | / /(     )/ _ \
     |_\_\ x___x \___/
   
   Tapez votre nom : Moi
   Donnez un nombre entre 1 et 99: 45
   45 est trop grand: 20
   20 est trop grand: 
   0 est trop petit: 
   Game Over
   [105002991] EXIT status = 1
   

   l'application pourrait afficher:

      _     ___    __ 
     | |__ /'v'\  / / 
     | / /(     )/ _ \
     |_\_\ x___x \___/
   
   Tapez votre nom : Moi
   Donnez un nombre entre 1 et 99: 45
   45 est trop grand: 20
   20 est trop grand: 
   ..3 : 12
   12 est trop petit: 15
   15 est trop petit: 
   ..2 : 
   ..1 :
   Game Over
   [115002778] EXIT status = 1
   

6. Dans cet usage du TIMER, les ISR ne sont pas fatales, sauf la dernière. En utilisant le mode debug (make debug) et le fichier trace0.S, déterminez la durée en cycles du traitement par le noyau d'une IRQ du timer. Ce n'est pas exactement la même durée pour toutes les IRQ. Pour trouver cette durée, il va falloir réduire le tick pour que la simulation ne soit pas trop longue et retirer l'affichage kprintf() de l'ISR.