PIC32の割り込み

x86 CPUの割り込みが比較的単純な構造を持っているのに対し、 MIPS CPUの割り込みは厄介な代物です。 なにせ当初なにも存在しないところに、屋上屋の拡張を足しているのです。 文書上の記述も分散しており、とても難解で複雑です。 正直な感想としては、ハードウェア実装量を省くためとはいえ、 結果的にかなり汚い設計をしてしまったもんだなと思います。

PIC32MXはMIPS用語でいうところのEICを搭載し、常時EICで動作します。

原則

• PIX32MXが採用するMIPS CPUには、 歴史的には「割り込みベクタテーブル」という概念が存在しません。 ハードウェアで固定されたアドレスに制御が直接飛び込んでくることが基本となっています。 あとは野となれ山となれ、すべてはソフトウェア任せ、という仕組みです。
• 固定されたアドレスに飛び込んできてソフトウェアで分岐するという仕組みは 割り込みハンドリングにおけるレイテンシの著しい悪化を招きます。 大学の演習用としてはそれでいいのでしょうけども、 現実世界における実用目的には課題が残ります。 そこで、後世の拡張により、 ハードコードされたアドレスがいくぶん散らされるようになりました。 レジスタも増設され、レジスタ相対で指定できるようにもなりました。
• MIPS CPUの用語では、すべての割り込みは例外と呼ばれます。 例外という大きなカテゴリの中に、 一般的なハードウェアに由来する割り込みと、 ソフトウェア的な存在である例外があります。 例外とは別にエラーがあり、ハードウェアの動作としては区別されています。 NMIのようにエラーとして扱われるのに用語上は割り込みというものもあります。
• 例外には、通常の例外と、エラーに対応する例外があります。 通常の例外がEPCレジスタに復帰すべき命令カウンタを保存するのに対し、 エラーに対応する例外ではErrorEPCレジスタに復帰すべき命令カウンタを保存します。 この区別はエラーレベル(ERL)ビットによって保持されます。 エラーが発生した時はエラーレベル(ERL)ビットが立ちます。 例外が発生した時は例外レベル(EXL)ビットが立ちます。 エラーの処理中においては例外と一般の割り込みは禁止されます。 なお、NMIやリセット動作もエラー状態として数えられますので、 初期化ルーチンにおいて、エラー状態を解除してからmain関数を呼び出す必要があります。
• ERET命令はエラーレベルにあるときはエラーからのリターンをします。 エラーレベルになく例外レベルにあるときは例外からのリターンをします。

割り込みの動作モード

ブートモード

リセット直後においては、プロセッサはブートモードで起動します。 ブートモードの中において、 非ブートモードで使用するべき必要なレジスタを初期化します。 具体的にはEBaseレジスタなどをブートモードにおいて初期化します。

• 例外発生時に特定のアドレスに飛び込んできます。
• 飛び込んでくるアドレスの生成においてEBaseレジスタは使用されません。
• 割り込み処理のために128バイトつまり32命令程度記述することができます。 プロローグとエピローグを配置するにはまあまあ足りる程度の領域が確保されているといえるでしょう。

通常モード

EBaseレジスタを運用するモードです。 EBaseレジスタは一部のビットがハードコードされており、 任意のアドレスを指定することはできません。

• 例外発生時にEBaseレジスタで指定したアドレスに飛び込んできます。
• EBaseレジスタに従わず、飛び込むアドレスがハードコードされた例外もあります。
• EBaseレジスタの更新は許されません。 更新した場合のプロセッサの動作は規定されていません。

PIC32MX2xxにはTLB機構がないため、 割り込みベクタ領域の先頭0x180バイトは未使用領域ということになるかと思います。 RAMは貴重なので、相対的に余裕があるROMを割り当てたほうが良いでしょう。

モード切り替え

コプロセッサ0にあるSTATUSレジスタを操作します。

• BEVビットを立てると、ブートモードになります。
• BEVビットを寝かすと、通常モード(シングルベクタまたはマルチベクタ)になります。

先に述べたとおり、プロセッサはリセット直後においてブートモードに初期化された状態で起動します。 初期化ルーチンはBEVビットを寝かしてからmain関数を呼び出すべきでしょう。

EBaseレジスタ

EBaseレジスタはexception baseという名前が示すとおり 例外発生時の基底となるアドレスを指すポインタです。 EBaseレジスタは一部のビットしか実装されていません。 下位12bitは実体が存在しないため、 下位12bitがゼロに整列されなければなりません。 このため、メモリマップを考える上では、 割り込みベクタの配置先となるアドレスの候補は限定されます。

シングルベクタ

PIC32MXはEICで運用されるので、 コアタイマを含めて一般的なハードウェア割り込みについて MIPS CPU固有のアドレスルールは適用されません。 シングルベクタはEICが割り込み番号ゼロを強制することで実現されます。 常に0x8000_0200に飛び込んでくると考えればよいでしょう。 このアドレスはEBaseレジスタを設定することで移動することができます。

マルチベクタ

マルチベクタはEICのレジスタを操作することで実現します。 PIC32MX2xxではオフセットを指定するレジスタは実装されないため、 計算モードを使うしかありません。 IntCtlレジスタのvector spacingビット群を指定することで 割り込みエントリポイントの間隔を指定できます。 PIC32MX2xxのデータシートによれば44本のベクタが存在します。 ざっくり電卓を叩いてみると、 最低限度となる32バイトのスペーシングを適用した場合で1920バイトほど消費する計算になります。 x86の常識ではベクタテーブルにはデスクリプタまたはポインタが並びますが、 MIPSの常識ではベクタテーブルにはプログラムコード本体が埋め込まれます。 32バイトの場合は割り込みルーチン全体を収容することはまずできませんので、 無条件分岐命令だけが配置されることになるでしょう。

シャドウレジスタ

MIPS CPUは設計時の選択においてシャドウレジスタセットを持つことができます。 PIC32MX2xxではデータシートにおいてシャドウレジスタの記載がありません。 とりあえずシャドウレジスタはないものとして実装しておき、 制御レジスタを読んでみてシャドウレジスタが存在する様子であれば シャドウレジスタを初期化して使ってみても良いでしょう。

• HSS = highest shadow set レジスタビットを使って、現在のプロセッサに実装されている最大のシャドウセット番号を調べることができます。 ゼロ番からHSS番までのレジスタセットが実装されています。 つまり、ゼロ番は常に実装されます。
• CSS = current shadow set レジスタビットを使って現在のレジスタバンク番号を知ることができます。
• PSS = previous shadow set レジスタビットを使って割り込む前のレジスタバンク番号を知ることができます。このレジスタは割り込みの発生時点におけるレジスタセットの番号をラッチしています。 MTC0命令を使ってPSSビットを書き換えた場合で、 引き続くRDPGPR/WRPGPR命令を実行したい場合は、 レジスタの読み書きの前にEHB命令でハザードをクリアする必要があります。
• RDPGPR = read from previous GPR 命令を使って、 PSSで指定されるレジスタセットのレジスタを読むことができます。 この命令はコプロセッサ0操作命令に分類されています。
• WRPGPR = write to previous GPR 命令を使って、 PSSで指定されるレジスタセットのレジスタに書き込むことができます。 この命令はコプロセッサ0操作命令に分類されています。

割り込みに関連して初期化が必要なレジスタは2つあります。

• スタックポインタはシャドウレジスタを利用する場合であっても 元々からあるスタックを継続して使用しなければなりません。
• グローバルポインタは起動時において初期化されている必要があります。 さもなくば位置独立な割り込みハンドラはグローバル変数にアクセスできません。