GD32VF103中断机制（非向量中断）

本文基于GD32VF103 MCU简单介绍RISCV的非向量中断方式，并在RV-STAR开发板上实现验证。

完整程序下载地址：https://www.jiawei.site/downloads/gd32/gd32_irq_direct.zip

中断机制与Direct模式简介

中断与异常

在RISC-V架构中，trap是对所有“打断当前执行流”的统一称呼，包含：

异常 (Exception)：由指令执行引发，例如非法指令、地址对齐错误、环境调用 (ecall)。
中断 (Interrupt)：由外部事件引发，例如定时器溢出、外设信号。

这两类事件都会导致 CPU 跳转到一个预先设定的入口地址，进入 trap 处理程序。

中断处理入口：mtvec

Machine模式下，mtvec CSR (Machine Trap Vector Base Address) 定义了trap 的入口地址，并支持两种模式：

Direct 模式(非向量模式)：所有trap都跳到同一个入口地址。
Vectored 模式(向量模式)：中断根据ID跳转到不同的偏移地址，异常仍然跳到统一入口。

这两种模式由 mtvec 的低两位决定：

00 = Direct
01 = Vectored

在Direct模式下：

任何中断或异常都会跳到 mtvec 所设定的同一个入口。
软件需要在入口里读取mcause，解析 trap 的类型和编号，然后再分派到相应的处理函数。

这样做的好处是实现简单，入口固定，适合资源有限的 MCU。缺点是所有 trap 共用一个入口，调度逻辑完全由软件完成。

非向量模式中断相关CSR

中断入口与原因

mtvec（Machine Trap-Vector Base Address Register）
- 保存陷入入口地址，决定中断/异常处理程序的起始点。
- 可以设置为 direct 模式（所有 trap 到同一个入口）或 vectored 模式（中断向量表）。
mcause（Machine Cause Register）

指示 trap 的来源：
- 最高位（bit XLEN-1）：1 = 中断，0 = 异常。
- 低12位：表示具体的中断 ID 或异常原因码。

程序计数器保存与恢复

mepc（Machine Exception Program Counter）
- 保存 trap 发生时的 PC。
- 中断/异常处理结束后，执行 mret 会跳回 mepc 指向的地址（通常是触发点的下一条指令）。

状态与中断使能

mstatus（Machine Status Register）
- 关键字段：
  - MIE：全局中断使能位。
  - MPIE：保存进入 trap 前的中断使能状态（mret 时恢复）。
  - MPP：保存 trap 前的特权级（00=U, 11=M）。
- 进入 trap 时硬件会自动修改这些位，返回时由 mret 恢复。
mie（Machine Interrupt Enable Register）
- 控制各个中断源的使能。常见位：
  - MSIE：软件中断使能
  - MTIE：定时器中断使能
  - MEIE：外部中断使能
mip（Machine Interrupt Pending Register）
- 显示哪些中断正在挂起（由硬件置位，软件可读）。

典型的中断处理流程

Direct 模式下，中断的典型处理流程如下：

CPU 硬件保存

将 pc 保存到 mepc。
将 trap 原因写入 mcause。
将出错地址写入 mtval（若适用）。

软件入口 (汇编)

保存通用寄存器到栈。
读取 mcause 判断 trap 来源。
跳转到相应的 C 语言处理函数。

中断服务函数 (C)

完成具体处理逻辑，例如定时器中断里更新mtime/mtimecmp，清除 pending。

恢复上下文并返回

恢复寄存器。
mret 返回用户代码。

实践：定时器中断

对本站文章从零开始创建GD32VF103 Makefile工程的程序进行扩充，添加定时器中断的处理部分，每隔 1秒进入中断，在中断处理函数中切换控制LED的IO口的电平状态实现LED亮灭循环。

entry.S

.macro SAVE_CONTEXT
    addi sp, sp, -33 * 4
    sw x1, 0 * 4(sp)
    sw x2, 1 * 4(sp)
    sw x3, 2 * 4(sp)
    ; ...
    sw x31, 30 * 4(sp)
    csrr t0, mepc
    sw t0, 31 * 4(sp)
    csrr t0, mstatus 
    sw t0, 32 * 4(sp)
.endm

.macro RESTORE_CONTEXT
    lw t0, 31 * 4(sp)
    csrw mepc, t0
    lw t0, 32 * 4(sp)
    csrw mstatus, t0
    lw x1, 0 * 4(sp)
    lw x2, 1 * 4(sp)
    lw x3, 2 * 4(sp)
    ; ...
    lw x31, 30 * 4(sp)
    addi sp, sp, 33 * 4
.endm

    .section .text

    .align 6    // the base must be 64 bytes alignment
    .globl _trap_entry

_trap_entry:
    SAVE_CONTEXT

    csrr a0, mcause
    call handle_trap

    RESTORE_CONTEXT
    mret

_trap_entry是中断处理的入口，执行保存现场 → 调用 C 层处理函数 → 恢复现场 → 返回。调用C编写的handle_trap函数之前，读取mcause CSR 作为handle_trap的函数参数以对中断的原因进行判断。

main.c

#include <stdint.h>

#define RCU_APB2EN 0x40021018
#define GPIOA_CTL0 0x40010800
#define GPIOA_OCTL 0x4001080C

#define TIMER_FREQ ((uint32_t)8000000/4)
#define TIMER_CTRL_ADDR 0xd1000000
#define TIMER_MTIME 0x0
#define TIMER_MTIMECMP 0x8

extern void _trap_entry();

void gpio_init()
{
    // enable GPIOA clock
    *(uint32_t *)RCU_APB2EN |= (uint32_t)1 << 2;

    // set PA1 as output push pull
    *(uint32_t *)GPIOA_CTL0 = *(uint32_t *)GPIOA_CTL0 & ((uint32_t)0xffffff0f) |
                              (uint32_t)1 << 4;

    // PA1 output low
    *(uint32_t *)GPIOA_OCTL &= (uint32_t)0xfffffffd;
}

void timer_init()
{
    *(volatile uint32_t *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME + 4) = 0;
    *(volatile uint32_t *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME) = 0;
    *(volatile uint32_t *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIMECMP + 4) = 0;
    *(volatile uint32_t *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIMECMP) = TIMER_FREQ;
}

int main()
{
    gpio_init();
    timer_init();

    uint32_t base = (uint32_t)_trap_entry;
    asm volatile("csrw mtvec, %0" :: "r"(base));
    asm volatile("csrs mie, %0" :: "r"(1 << 7));
    asm volatile("csrs mstatus, %0" :: "r"(1 << 3));

    while(1);

    return 0;
}

void handle_trap(uint32_t mcause)
{
    if((mcause & 0x80000000) && (mcause & 0xfff) == 7){
        // reset mtime
        *(volatile uint32_t *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME + 4) = 0;
        *(volatile uint32_t *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME) = 0;

        // toggle PA1 output
        if(*(uint32_t *)GPIOA_OCTL & (uint32_t)0b10){
            *(uint32_t *)GPIOA_OCTL &= (uint32_t)0xfffffffd;
        } else{
            *(uint32_t *)GPIOA_OCTL |= (uint32_t)0b10;
        }
    } else{
        asm volatile("nop");
    }
}

main函数执行了一些初始化操作，使用内联汇编设置mtvec，启用全局中断和定时器中断。

中断处理函数handle_trap判断中断的原因，如果发生了定时器中断，则重新设置mtime的值以清除中断悬起状态标志，并翻转控制LED的IO电平。