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实验五 输入

QEMU的virt机器默认没有键盘作为输入设备，但当我们执行QEMU使用 -nographic 参数（disable graphical output and redirect serial I/Os to console）时QEMU会将串口重定向到控制台，因此我们可以使用UART作为输入设备。

同时这次实验也将顺便完成上一节没有完成的异常回调处理，我们将作对时钟中断和硬件中断的不同处理。

实验指导书中这节就没有写实验目的了。我大致把目的划分如下：

1. 完成实验四未完成的时钟中断处理回调

2. 完成pl011（UART）异步串行接口的驱动编写

3. 完成串口输入中断

时钟中断回调函数实现

在上一个实验中，我们实现了时间中断，但没有对引发的时间中断做处理回调。我们先扫尾，然后再来处理输入中断。

我们知道，时间中断后引发的异常是el1_irq类中断，所以我们所需修改的是src/interrupts.rs文件中关于el1_irq的回调函数。原函数如下：

#[no_mangle]
unsafe extern "C" fn el1_irq(ctx: &mut ExceptionCtx) {
    catch(ctx, EL1_IRQ);
}

我们需要的是实现对时钟的中断进行准确的分辨，所以我们需要在该异常被处发后，读取中断号并作相应处理。

当定时器触发时间中断后，中断控制器的GICC_IAR寄存器将被写入中断号30。结合上节的GICC寄存器表，我们在GICC寄存器处新增两个需要调用的寄存器地址映射，定义如下：

  //GICC寄存器基址
  const GICD_BASE: u64 = 0x08010000;

//GICC实验所需寄存器
  const GICC_CTLR: *mut u32 = (GICC_BASE + 0x0) as *mut u32;
  const GICC_PMR: *mut u32 = (GICC_BASE + 0x0004) as *mut u32;
  const GICC_BPR: *mut u32 = (GICC_BASE + 0x0008) as *mut u32;
+ const GICC_IAR: *mut u32 = (GICC_BASE + 0x0c) as *mut u32;
+ const GICC_EOIR: *mut u32 = (GICC_BASE + 0x10) as *mut u32;

• GICC_IAR寄存器中存放的是当前的中断号。例如当时间中断发生时，寄存器中将写入中断号30（前5位）和对应的内核编号（后三位），我们可以通过读取该寄存器中的值来做中断号识别

• GICC_EOIR寄存器则用于标记某一中断被完成，即中断处理结束的信号。这个信号告诉控制器：中断已经被处理，并且系统已经准备好接收下一个中断。

基于以上，我们可以根据GIC手册修改el1_irq处理回调函数，修改如下：

#[no_mangle]
unsafe extern "C" fn el1_irq(ctx: &mut ExceptionCtx) {
    // 中断确认（读取中断号和中断对应核）
    let value: u32 = ptr::read_volatile(GICC_IAR);
    let irq_num: u32 = value & 0x1ff;
    let core_num: u32 = value & 0xe00;

// 实际处理中断
    handle_irq_lines(ctx, core_num, irq_num);

// 中断完成标记信号
    ptr::write_volatile(GICC_EOIR, core_num | irq_num);

// 清除相应中断位
    clear(irq_num);
}

并编写中断处理函数handle_irq_lines：

fn handle_irq_lines(ctx: &mut ExceptionCtx, _core_num: u32, irq_num: u32) {
    if irq_num == TIMER_IRQ {       // 确认时间中断
        handle_timer_irq(ctx);
    } else{
        catch(ctx, EL1_IRQ);
    }
}

// 时间中断对应处理函数
fn handle_timer_irq(_ctx: &mut ExceptionCtx){

crate::print!(".");     //我们令其每发生一次中断就打点一次，更直观的体现出发生时间中断

// 重置定时器，使其再过2秒产生一次中断
    unsafe {
        asm!("mrs x1, CNTFRQ_EL0");
        asm!("add x1, x1, x1");
        asm!("msr CNTP_TVAL_EL0, x1");
    }
}

大致的流程还是很好理解的，我们编译运行后看看效果：

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效果如下（每两秒将会有一次打点）：

循环打点一方面是定时的功劳，另一方面是主函数中循环将系统置于低电平状态后的结果。每一次的中断处理后，系统将重新回到高电平运行状态。如果我们不采用loop轮询，将只会发生一次打点，此后及时重新到达定时器时间并发送了时钟中断，GIC也不会进行处理（因为设置的是低电平触发）。

pl011（UART）异步串行接口驱动编写

QEMU的virt机器默认没有键盘作为输入设备，但当我们执行QEMU使用-nographic参数（disable graphical output and redirect serial I/Os to console）时QEMU会将串口重定向到控制台，因此我们可以使用UART作为输入设备。

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。

UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。我们在控制台中的输入，也会被它传输到qemu中。

tock-registers

在实验四中，针对GICD，GICC，TIMER等硬件我们定义了大量的常量和寄存器值，这在使用时过于繁琐也容易出错。于是我们决定使用tock-registers库。

tock-registers提供了一些接口用于更好的定义寄存器。官方说明如下：

The crate provides three types for working with memory mapped registers: ReadWrite, ReadOnly, and WriteOnly, providing read-write, read-only, and write-only functionality, respectively. These types implement the Readable, Writeable and ReadWriteable traits.

Defining the registers is done with the register_structs macro, which expects for each register an offset, a field name, and a type. Registers must be declared in increasing order of offsets and contiguously. Gaps when defining the registers must be explicitly annotated with an offset and gap identifier (by convention using a field named _reservedN), but without a type. The macro will then automatically take care of calculating the gap size and inserting a suitable filler struct. The end of the struct is marked with its size and the @END keyword, effectively pointing to the offset immediately past the list of registers.

翻译如下：

tock-registers 提供了三种类型的内存映射寄存器：ReadWrite、ReadOnly和WriteOnly，分别提供读写、只读和只读功能。这些类型实现了可读、可写和可读写特性。

寄存器的定义是通过register_structs宏完成的，该宏要求每个寄存器有一个偏移量、一个字段名和一个类型。寄存器必须按偏移量的递增顺序和连续顺序声明。定义寄存器时，必须使用偏移量和间隙标识符（按照惯例，使用名为_reservedN的字段）显式注释间隙，但不使用类型。然后，宏将自动计算间隙大小并插入合适的填充结构。结构的末尾用大小和@end关键字标记，有效地指向寄存器列表后面的偏移量。

根据官方的说明tock_registers作为一个示例，我们来实现pl011串口驱动。

阅读设备树关于pl011部分内容（实验二）：

pl011@9000000 {
    clock-names = "uartclk\0apb_pclk";
    clocks = <0x8000 0x8000>;
    interrupts = <0x00 0x01 0x04>;
    reg = <0x00 0x9000000 0x00 0x1000>;
    compatible = "arm,pl011\0arm,primecell";
};

chosen {
    stdout-path = "/pl011@9000000";
    kaslr-seed = <0xcbd0568d 0xb463306c>;
};

由上可以看出，virt机器包含有pl011的设备，该设备的寄存器在0x9000000开始处。pl011实际上是一个UART设备，即串口。可以看到virt选择使用pl011作为标准输出，这是因为与PC不同，大部分嵌入式系统默认情况下并不包含VGA设备。

而uart寄存器表也列出了UART相关的寄存器如下图所示：

我们可以开始定义pl011驱动文件了。原则上来讲这部分内容应当定义在src/uart_console.rs中。但为了避免代码过长，我们选择重构uart_console.rs。

首先创建src/uart_console目录，并将原uart_console.rs更名为mod.rs，且置于src/uart_console目录下， 最后新建src/uart_console/pl011.rs文件。目录结构看起来像这样：

.
|____Cargo.toml
|____Cargo.lock
|____.cargo
| |____config.toml
|____aarch64-qemu.ld
|____.vscode
| |____launch.json
|____aarch64-unknown-none-softfloat.json
|____src
| |____panic.rs
| |____start.s
| |____interrupts.rs
| |____main.rs
| |____uart_console
| | |____mod.rs
| | |____pl011.rs
| |____exception.s

我们先需要在Cargo.toml中的[dependencies]节中加入依赖（这里实验指导书有误）：

[dependencies]
tock-registers = "0.7.0"

根据上述tock_registers官方说明和寄存器表，我们修改src/uart_console/pl011.rs如下：

use tock_registers::{registers::{ReadOnly, ReadWrite, WriteOnly}, register_bitfields, register_structs};

pub const PL011REGS: *mut PL011Regs = (0x0900_0000) as *mut PL011Regs;

register_bitfields![
    u32,

pub UARTDR [
        DATA OFFSET(0) NUMBITS(8) []
    ],
    /// Flag Register
    pub UARTFR [
        /// Transmit FIFO full. The meaning of this bit depends on the
        /// state of the FEN bit in the UARTLCR_ LCRH Register. If the
        /// FIFO is disabled, this bit is set when the transmit
        /// holding register is full. If the FIFO is enabled, the TXFF
        /// bit is set when the transmit FIFO is full.
        TXFF OFFSET(6) NUMBITS(1) [],

/// Receive FIFO empty. The meaning of this bit depends on the
        /// state of the FEN bit in the UARTLCR_H Register. If the
        /// FIFO is disabled, this bit is set when the receive holding
        /// register is empty. If the FIFO is enabled, the RXFE bit is
        /// set when the receive FIFO is empty.
        RXFE OFFSET(4) NUMBITS(1) []
    ],

/// Integer Baud rate divisor
    pub UARTIBRD [
        /// Integer Baud rate divisor
        IBRD OFFSET(0) NUMBITS(16) []
    ],

/// Fractional Baud rate divisor
    pub UARTFBRD [
        /// Fractional Baud rate divisor
        FBRD OFFSET(0) NUMBITS(6) []
    ],

/// Line Control register
    pub UARTLCR_H [
        /// Parity enable. If this bit is set to 1, parity checking and generation
        /// is enabled, else parity is disabled and no parity bit added to the data frame.
        PEN OFFSET(1) NUMBITS(1) [
            Disabled = 0,
            Enabled = 1
        ],
        /// Two stop bits select. If this bit is set to 1, two stop bits are transmitted
        /// at the end of the frame.
        STP2 OFFSET(3) NUMBITS(1) [
            Stop1 = 0,
            Stop2 = 1
        ],
        /// Enable FIFOs.
        FEN OFFSET(4) NUMBITS(1) [
            Disabled = 0,
            Enabled = 1
        ],

/// Word length. These bits indicate the number of data bits
        /// transmitted or received in a frame.
        WLEN OFFSET(5) NUMBITS(2) [
            FiveBit = 0b00,
            SixBit = 0b01,
            SevenBit = 0b10,
            EightBit = 0b11
        ]
    ],

/// Control Register
    pub UARTCR [
        /// Receive enable. If this bit is set to 1, the receive
        /// section of the UART is enabled. Data reception occurs for
        /// UART signals. When the UART is disabled in the middle of
        /// reception, it completes the current character before
        /// stopping.
        RXE    OFFSET(9) NUMBITS(1) [
            Disabled = 0,
            Enabled = 1
        ],

/// Transmit enable. If this bit is set to 1, the transmit
        /// section of the UART is enabled. Data transmission occurs
        /// for UART signals. When the UART is disabled in the middle
        /// of transmission, it completes the current character before
        /// stopping.
        TXE    OFFSET(8) NUMBITS(1) [
            Disabled = 0,
            Enabled = 1
        ],

/// UART enable
        UARTEN OFFSET(0) NUMBITS(1) [
            /// If the UART is disabled in the middle of transmission
            /// or reception, it completes the current character
            /// before stopping.
            Disabled = 0,
            Enabled = 1
        ]
    ],

pub UARTIMSC [
        RXIM OFFSET(4) NUMBITS(1) [
            Disabled = 0,
            Enabled = 1
        ]
    ],
    /// Interupt Clear Register
    pub UARTICR [
        /// Meta field for all pending interrupts
        ALL OFFSET(0) NUMBITS(11) [
            Clear = 0x7ff
        ]
    ]
];

这里对以上读写内容也不再细讲。只需要知道的是pl011的设备基址位于0x0900_0000(第二行代码），然后根据寄存器表定义我们需要的寄存器：

register_structs! {
    pub PL011Regs {
        (0x00 => pub dr: ReadWrite<u32, UARTDR::Register>),                   // 0x00
        (0x04 => __reserved_0),               // 0x04
        (0x18 => pub fr: ReadOnly<u32, UARTFR::Register>),      // 0x18
        (0x1c => __reserved_1),               // 0x1c
        (0x24 => pub ibrd: WriteOnly<u32, UARTIBRD::Register>), // 0x24
        (0x28 => pub fbrd: WriteOnly<u32, UARTFBRD::Register>), // 0x28
        (0x2C => pub lcr_h: WriteOnly<u32, UARTLCR_H::Register>), // 0x2C
        (0x30 => pub cr: WriteOnly<u32, UARTCR::Register>),     // 0x30
        (0x34 => __reserved_2),               // 0x34
        (0x38 => pub imsc: ReadWrite<u32, UARTIMSC::Register>), // 0x38
        (0x44 => pub icr: WriteOnly<u32, UARTICR::Register>),   // 0x44
        (0x48 => @END),
    }
}

这看起来好像比实验四中对应的寄存器描述部分要复杂，但如果你熟悉了之后，基本上可以依据技术参考手册中的寄存器描述无脑写了。（很多部分可以无脑抄）

然后我们在src/uart_console/mod.rs中引入pl011.rs，并修改write_byte。

我们在前面对输出是直接定义寄存器常量的

pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
        const UART0: *mut u8 = 0x0900_0000 as *mut u8;
        unsafe {
            ptr::write_volatile(UART0, byte);
        }
    }

而现在我们已经定义好了UART的寄存器表，可以选择直接调用pl011.rs中定义的寄存器：

use tock_registers::{interfaces::Writeable};

pub mod pl011;
use pl011::*;

pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
    // const UART0: *mut u8 = 0x0900_0000 as *mut u8;
    unsafe {
        // pl011 device registers
        let pl011r: &PL011Regs = &*PL011REGS;
        // ptr::write_volatile(UART0, byte);
        pl011r.dr.write(UARTDR::DATA.val(byte as u32));
    }
}

由于我们较为完整的定义好了pl011寄存器组，每次调用都需要一次初始化行为。故我们还需要为Writer结构实现构造函数，并修改WRITER宏的定义：

//往串口寄存器写入字节和字符串进行输出
impl Writer {
    // ...

pub fn new() -> Writer{

unsafe {
            // pl011 device registers
            let pl011r: &PL011Regs = &*PL011REGS;

// 禁用pl011
            pl011r.cr.write(UARTCR::TXE::Disabled + UARTCR::RXE::Disabled + UARTCR::UARTEN::Disabled);
            // 清空中断状态
            pl011r.icr.write(UARTICR::ALL::Clear);
            // 设定中断mask，需要使能的中断
            pl011r.imsc.write(UARTIMSC::RXIM::Enabled);
            // IBRD = UART_CLK / (16 * BAUD_RATE)
            // FBRD = ROUND((64 * MOD(UART_CLK,(16 * BAUD_RATE))) / (16 * BAUD_RATE))
            // UART_CLK = 24M
            // BAUD_RATE = 115200
            pl011r.ibrd.write(UARTIBRD::IBRD.val(13));
            pl011r.fbrd.write(UARTFBRD::FBRD.val(1));
            // 8N1 FIFO enable
            pl011r.lcr_h.write(UARTLCR_H::WLEN::EightBit + UARTLCR_H::PEN::Disabled + UARTLCR_H::STP2::Stop1
                + UARTLCR_H::FEN::Enabled);
            // enable pl011
            pl011r.cr.write(UARTCR::UARTEN::Enabled + UARTCR::RXE::Enabled + UARTCR::TXE::Enabled);
        }

Writer
    }
}

lazy_static! {
    pub static ref WRITER: Mutex<Writer> = Mutex::new(Writer::new());
}

最后是将无用的ptr引用去除

- use core::{fmt, ptr};
+ use core::fmt;

至此，我们完成了所有关于pl011（uart）串口驱动的编写。

串口输入中断处理回调

第一节我们讲到了如何去实现timer中断的处理回调。而输入中断也是el1_irq一类的中断。回到我们修改/新增的几个函数，我们将中断实际处理部分针对输入中断做一些判断和处理即可。

输入中断初始化

同时钟中断一样，我们还是需要对输入中断进行启用和配置。修改src/interrupts.rs，新增如下内容：

// 串口输入中断号33
const UART0_IRQ: u32 = 33;

pub fn init_gicv2() {
    // ...

// 初始化UART0 中断
    // interrupts = <0x00 0x01 0x04>; SPI, 0x01, level
    set_config(UART0_IRQ, ICFGR_LEVEL); //电平触发
    set_priority(UART0_IRQ, 0); //优先级设定
    clear(UART0_IRQ); //清除中断请求
    enable(UART0_IRQ); //使能中断
}

输入中断处理回调

然后对UART的数据接收中断进行处理：修改我们的中断实际处理函数handle_irq_lines为如下，并新增输入中断处理函数handle_uart0_rx_irq：

fn handle_irq_lines(ctx: &mut ExceptionCtx, _core_num: u32, irq_num: u32) {
    if irq_num == TIMER_IRQ {
        handle_timer_irq(ctx);
    } else if irq_num == UART0_IRQ {
        handle_uart0_rx_irq(ctx);
    } else{
        catch(ctx, EL1_IRQ);
    }
}

use tock_registers::interfaces::Readable;

fn handle_uart0_rx_irq(_ctx: &mut ExceptionCtx){
    use crate::uart_console::pl011::*;
    unsafe{
        // pl011 device registers
        let pl011r: &PL011Regs = &*PL011REGS;

let mut flag = pl011r.fr.read(UARTFR::RXFE);
        while flag != 1 {
            let value = pl011r.dr.read(UARTDR::DATA);

crate::print!("{}", value as u8 as char);
            flag = pl011r.fr.read(UARTFR::RXFE);
        }
    }
}

当我们输入一个字符后，uart产生一次输入中断，而输入中断处理函数则将我们输入的字符从寄存器中取出并调用print!宏打印出来。

由此我们完成了输入中断的处理。我们进行代码的构建并运行：

cargo build
qemu-system-aarch64 -machine virt -m 1024M -cpu cortex-a53 -nographic -kernel target/aarch64-unknown-none-softfloat/debug/blogos_armv8

当我们随意的在控制台中敲击字符，除去时钟中断的打点输出，我们将看到我们输入的字符。此时说明我们的输入中断是成功运作的。