RV32I/RV32E在访问mtime和mtimecmp的注意事项

た入场券 2022-05-31 12:10 117阅读 0赞

RV32I/RV32E的寄存器是32位的，而mtime和mtimecmp总是64位的，RV32I/RV32E读写mtime和mtimecmp就需要分两次Load/Store，而且mtime不停地在变化，这就需要一些技巧处理这两个寄存器的访问。

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## 64位的mtime和mtimecmp ##

mtime和mtimecmp总是64位的，无论是RV32I/RV32E或者是RV64I还是RV128I。对用作计数的这两个寄存器而言，64位已经是天文数字，在产品的整个生命周期内都不会产生溢出。假设驱动mtime的时钟频率是10GHz（目前还没有哪个CPU主频能到10GHz的吧），那么要让64位的mtime溢出，那么需要`0x10000000000000000 / 10000000000 / 60 / 60 / 24 / 365`年，也就是58年。HiFive1开发板驱动mtime的时钟频率是32768Hz，那么需要17851025年mtime才会溢出。

RV64I或RV128I访问mtime或mtimecmp只需要一条指令，不会有什么问题。RV32I/RV32E访问mtime或mtimecmp需要把这两个寄存器拆成两个32位寄存器来访问，这需要两条指令，如果真好碰上低32位要进位的情况，那么就会产生问题，访问的结果会产生巨大的偏差。

## 读mtime ##

读mtime的代码如下：

static uint32_t mtime_lo(void)
    {
        
      return *(volatile uint32_t *)(CLINT_CTRL_ADDR + CLINT_MTIME);
    }
    
    static uint32_t mtime_hi(void)
    {
        
      return *(volatile uint32_t *)(CLINT_CTRL_ADDR + CLINT_MTIME + 4);
    }
    
    uint64_t get_timer_value()
    {
        
        uint32_t hi = mtime_hi();
        uint32_t lo = mtime_lo();
        return ((uint64_t)hi << 32) | lo;
    }

假设进入`get_timer_value`函数时，mtime当前值为0x00000050\_FFFFFFFF，假如在`hi = mtime_hi();`和`lo = mtime_lo();`两条语句之间正好产生进位，那么 hi = 0x00000050，lo = 0x00000000。 返回结果是0x00000050\_00000000，预期结果应该是0x00000051\_00000000，不仅产生极大的偏差，而且时光倒流了。

改进的`get_timer_value`：

// 出自 HiFive1 示例程序 demo_gpio/bsp/env/freedom-e300-hifive1/init.c
    uint64_t get_timer_value()
    {
        
      while (1) {
        
        uint32_t hi = mtime_hi();
        uint32_t lo = mtime_lo();
        if (hi == mtime_hi())
          return ((uint64_t)hi << 32) | lo;
      }
    }

改进后的`get_timer_value`在读取了mtime的两部分后再次读取高32位，并判断有没有进位产生，如果产生进位那么就丢弃本次错误的结果重新读一次，如果没有进位那么结果是可靠的，返回读到的mtime值。

## 写mtimecmp ##

如何正确地写mtimecmp的值在 [The RISC-V Instruction Set Manual Volume II: Privileged Architecture][The RISC-V Instruction Set Manual Volume II_ Privileged Architecture] 3.1.15 Machine Timer Registers (mtime and mtimecmp) 中有明确的说明：

> In RV32, memory-mapped writes to mtimecmp modify only one 32-bit part of the register. The following code  
> sequence sets a 64-bit mtimecmp value without spuriously generating a timer interrupt due to the intermediate

# New comparand is in a1:a0.
    li t0, -1
    sw t0, mtimecmp # No smaller than old value.
    sw a1, mtimecmp+4 # No smaller than new value.
    sw a0, mtimecmp # New value.

用C语言来实现：

static void mtimecmp_lo(uint32_t v)
    {
        
      *(volatile uint32_t *)(CLINT_CTRL_ADDR + CLINT_MTIMECMP) = v;
    }
    
    static void mtimecmp_hi(uint32_t v)
    {
        
      *(volatile uint32_t *)(CLINT_CTRL_ADDR + CLINT_MTIMECMP + 4) = v;
    }
    
    void set_timecmp_value(uint64_t v)
    {
        
        uint32_t hi = (v >> 32) & 0xffffffff;
        uint32_t lo = v & 0xffffffff;
        mtimecmp_lo(0xffffffff); // No smaller than old value.
        mtimecmp_hi(hi);         // No smaller than new value.
        mtimecmp_lo(lo);         // New value.
    }

如果没有按照这个要求写mtimecmp，那可能会多产生一个额外的中断，这不是程序所期望的。

[http_blog.csdn.net_zoomdy_article_details_79361553]: http://blog.csdn.net/zoomdy/article/details/79361553
[The RISC-V Instruction Set Manual Volume II_ Privileged Architecture]: https://riscv.org/specifications/privileged-isa