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发表于 2008-2-27 14:35:05
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从IRQ到IRQL(APIC版)
来自:http://www.nsfocus.net/index.php ... o=view&mid=25349 O( y' H5 N$ Y$ a$ h5 s
' T5 q( M/ |' z2 L- W从IRQ到IRQL(APIC版)
3 o! g$ {( _( ]# L% J! w$ W3 S6 i% l$ n+ }1 h7 q0 c
作者:SoBeIt
+ R8 I' S1 M) D1 c0 r8 D出处:https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=45502
: g5 s& b" Q& |* i日期:2005-02-04$ ?" c4 k! d: G6 T7 t( \
, P9 k& ]6 G7 l' M* x# \9 D( Y
事实上,老久的PIC在很早以前就被淘汰了,取而代之的是APIC。由于APIC可以兼容PIC,所以在很多单处理器系统上我们看到的PIC实际是APIC的兼容PIC模式。APIC主要应用于多处理器操作系统,是为了解决IRQ太少和处理器间中断而产生的,当然,单处理器操作系统也可以使用APIC(不是模拟PIC)。APIC的HAL和PIC的HAL有很大的不同,很突出的一个特点就是APIC的HAL不用再象PIC的HAL那样虚拟一个中断控制器,IRQL的概念已经可以通过中断向量的形式被APIC支持。事实上,因为被APIC所支持,所以在APIC HAL里IRQL的实现比PIC HAL那样虚拟一个中断控制器要简单得多了。. @- y) W. Z* H& H, B
8 J- L+ ?- j9 w$ @! Q
现在来简单介绍一下APIC的结构(关于APIC详细的描述请参考《IA-32 Inel Architecture Software Developer's Manual Volume 3 Chapter 8》)。整个APIC系统由本地APIC、IO APIC和APIC串行总线组成(在Pentium 4和Xeon以后,APIC总线放到了系统总线中)组成。每个处理器中集成了一个本地APIC,而IO APIC是系统芯片组中一部分,APIC总线负责连接IO APIC和各个本地APIC。本地APIC接收该处理器产生的本地中断比如时钟中断,以及由该处理器产生的处理器间中断,并从APIC串行总线接收来自IO APIC的消息;IO APIC负责接收所有外部的硬件中断,并翻译成消息选择发给接收中断的处理器,以及从本地APIC接收处理器间中断消息。
1 X+ ~( \5 ^* B/ X( l+ q1 H& g4 `
0 j6 i; ^* r1 G# x4 r9 ]) o 和PIC一样,控制本地APIC和IO APIC的方法是通过读写该单元中的相关寄存器。不过和PIC不一样的是,Intel把本地APIC和IO APIC的寄存器都映射到了物理地址空间,本地APIC默认映射到物理地址0xffe00000,IO APIC默认映射到物理地址0xfec00000。windows HAL再进一步把本地APIC映射到虚拟地址0xfffe0000,把IO APIC映射到虚拟地址0xffd06000,也就是说对该地址的读写实际就是对寄存器的读写,本地APIC里几个重要的寄存有EOI寄存器,任务优先级寄存器(TPR),处理器优先级寄存器(PPR),中断命令寄存器(ICR,64位),中断请求寄存器(IRR,256位,对应每个向量一位),中断在服务寄存器(ISR,256位)等。IO APIC里几个重要的寄存器有版本寄存器,I/O寄存器选择寄存器、I/O窗口寄存器(用要访问的I/O APIC寄存器的索引设置地址I/O寄存器选择寄存器,此时访问I/O窗口寄存器就是访问被选定的寄存器)还有很重要的是一个IO重定向表,每一个表项是一个64位寄存器,包括向量和目标模式、传输模式等相关位,每一个表项连接一条IRQ线,表项的数目随处理器的版本而不一样,在Pentium 4上为24个表项。表项的数目保存在IO APIC版本寄存器的[16:23]位。APIC系统支持255个中断向量,但Intel保留了0-15向量,可用的向量是16-255。并引进一个概念叫做任务优先级=中断向量/16,因为保留了16个向量,所以可用的优先级是2-15。当用一个指定的优先级设置本地APIC中的任务优先级寄存器TPR后,所有优先级低于TPR中优先级的中断都被屏蔽,是不是很象IRQL的机制?事实上,APIC HAL里的IRQL机制也就是靠着这个任务优先级寄存器得以实现。同一个任务优先级包括了16个中断向量,可以进一步细粒度地区分中断的优先级。
2 {8 m3 l9 O/ `7 B8 S) Z$ c
# ^2 `, I8 ^5 b3 j 在HAL里虽然HalBeginSystemInterrupt仍然是IRQL机制的发动引擎,但是因为有APIC的支持,它和其它共同实现IRQL的函数要比PIC HAL里对应的函数功能简单得多。HalBeginSystemInterrupt通过用IRQL做索引在HalpIRQLtoTPR数组中获取该IRQL对应的任务优先级,用该优先级设置任务优先级寄存器TPR,并把TPR中原先的任务优先级/16做为索引在HalpVectorToIRQL数组中获取对应的原先的IRQL然后返回。若IRQL是从低于DISPATCH_LEVEL提升到高于DISPATCH_LEVEL,还需要设置KPCR+0x95(0xffdff095)为DISPATCH_LEVEL(0x2),表示是从DISPATCH_LEVEL以下的级别提升IRQL。HalEndSystemInterrupt向本地APIC的EOI寄存发送0,表示中断结束,可以接收新中断。并还要判断要降到的IRQL是否小于DISPATCH_LEVEL,若小于则进一步判断KPCR+0x96(0xffdff096)是否置位,若置位则表示有DPC中断在等待(在IRQL高于DISPATCH_LEVEL被引发,然后等待直到IRQL降到低于DISPATCH_LEVEL),则将KPCR+0x95和KPCR+0x96清0后调用KiDispatchInterrupt响应DPC软中断。否则做的工作就是和HalBeginSystemInterrupt一样的过程:把要降到的IRQL转换成任务优先级设置TRP,并把久的任务优先级转成IRQL返回。KfRaiseIrql、KfLowerIrql之类的函数也是这么一回事,把当前IRQL转成任务优先级修改TPR,并把原先TPR的值转成原先的IRQL并返回。而现在软中断的产生也有了APIC支持,APIC通过产生一个发向自己的处理器间中断,就可以产生一个软中断,因为可以指定该中断的向量,所以软中断就可以区分优先级别,如APC_LEVEL、DISPATCH_LEVEL。产生软中断的函数一样还是HalRequestSoftwareInterrupt,该函数会先判断KPCR+0x95是否和要产生的软中断IRQL一样,若是的话则置位KPCR+0x96并返回,表示现在IRQL大于DISPATCH_LEVEL所以不处理DPC中断。否则以要产生的软中断的IRQL为索引从HalpIRQLtoTPRHAL取出对应任务优先级,并或上0x4000,表示是发向自身的固定处理间中断,并用该值设置中断命令寄存器ICW的低32位,然后读取中断命令寄存器ICW的低32位是否为0x1000,确定中断消息已经发送后就返回,这时候软中断已经产生。值得注意的是APIC HAL里没有HalEndSoftwareInterrupt这个函数。HAL为软中断的IRQL提供了一个固定的中断向量:+ h8 _/ C- z; D/ v
9 C* N2 L- V# | C+ {8 e# r#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00
. ~( X! }( y, [7 D. `2 |4 v#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 01
n: E8 `+ z8 A1 P) q#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02' l- n% Z5 y' O; k/ \0 C
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27
# t& p! n. r7 U, Z( J( U7 K#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 28( z+ Z3 }3 j l0 y# a' m p1 Y0 I
#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 281 u* J9 F k2 k2 a1 Y, n& V% s
#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29 P$ M7 Z! w+ w& w# E0 c
#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 30" [& s4 I s# }0 L/ U6 r
#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 31
5 B& Y2 P0 t3 ^9 Z2 ]6 j! |8 _0 W S
8 S4 n' l- T" o; O+ L现在看一下一些重要的数据:8 J. c. c% U' V8 Y$ I/ I
2 Z( o# q% T& t( K7 R4 Q# K; x这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:% S% E/ l% [- |& E8 B" J' `
9 P# q+ s u- z1 B9 o" i2 sRedirect Table Index: 0x17
' O! l: m# m" q* JRedirect Table[ 0]: ff( D4 K! _+ C# m1 o$ z8 e: |
Redirect Table[ 1]: b3, Z' r; d, D& U" d' }4 t
Redirect Table[ 2]: ff( p9 p/ z1 y. |5 n- ?. f
Redirect Table[ 3]: 51
0 O5 M$ Z0 J: S6 e) s9 GRedirect Table[ 4]: ff0 x. d9 T. b$ U) _2 g4 i
Redirect Table[ 5]: ff
$ I0 T e) v, y7 w8 Q$ HRedirect Table[ 6]: 62
+ o' {) |: V: P! q6 J$ G' k9 ERedirect Table[ 7]: ff9 \+ `- E& S1 E9 Z7 q* y) z5 ]
Redirect Table[ 8]: d1
$ D! o4 y* R6 G# p* xRedirect Table[ 9]: b1% y. a5 W! R1 L6 V6 b! v! H
Redirect Table[ a]: ff
1 E8 o( a! u4 a( ~$ g7 L; sRedirect Table[ b]: ff
) j' P; P8 \& F, t. N+ ZRedirect Table[ c]: 52
4 g9 q9 Y& ?5 X; R% H6 o. jRedirect Table[ d]: ff
* M% T+ Z6 X: ~1 b/ w1 g& z/ ?! B4 sRedirect Table[ e]: ff
3 g' v) K, p& c/ QRedirect Table[ f]: 926 e9 U5 E$ _$ e) X5 C- ]
Redirect Table[10]: ff
" P/ i, H. a$ T" N6 j% o& R# gRedirect Table[11]: a3
2 d, s4 P) C% mRedirect Table[12]: 83. b8 {9 l% [) g& o
Redirect Table[13]: 93! q2 z& s7 H0 l$ z9 C5 [" K; d. s
Redirect Table[14]: ff
' j, B: C! u9 J2 m ~( s6 j# QRedirect Table[15]: ff
5 n2 c4 J0 g' u, w" ^/ {Redirect Table[16]: ff
0 I% H" ~( b# M+ _/ _Redirect Table[17]: ff% Q( C: m. ^& Z* h+ O
$ [' o9 W8 m( @* [! F
这是IDT表中被注册的向量:
$ L: p. k- z2 M6 s- _" |# k& l1 P5 A# X5 z- L
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)
; z3 r& Z+ \7 d5 a$ S* g% B+ j37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)
U1 o o) v9 R4 s3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)
8 j1 c. i% O$ T41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)9 n4 ^0 K& E# x% H# b
50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)6 a) ~6 P7 ]( d: S% `* U2 A
51: 817f59e4
+ Z% T( g+ k6 J- Q. j* A, ~2 `5 w2 R) [(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))
! J! B0 J/ P" b2 T( G! A% q1 g52: 817f5044 / S, c- X: Z1 S( G; Z' Z, V8 y
(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))( Q! \! |7 x# o5 \# \$ ^) N
83: 817d2d44 & u. b* Q2 o# s9 S# ?6 t* }
(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794)) Z6 d7 A5 j4 w$ {0 q
92: 81821384
3 s& E. U# P' R! m2 s5 p8 J(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))
6 x" n( i0 k, ?93: 8185ed64
; ~6 a5 i. p0 W$ N! ~(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))
* t( b- W% q1 m3 Sa3: 8186cdc4 ! i# O, P \. y# @+ P& ~' H
(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))
- p, a. w$ [9 P" A5 f" e7 Lb1: 818902e4
3 _; S& R q8 g# l0 C: N' e7 ^% A8 C(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))
# |6 o4 D! R9 A4 G& ub3: 81881664 1 c: ]- w; C( d
(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))# y4 b! P) B/ P* _
c1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)7 U9 C6 l4 N; q* N( B
d1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)
$ D& V7 s$ S" j9 p5 ae1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler). \( a8 M) }* {1 F" S
e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)- Z" i2 J: J& O* V
fd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)' r* c F: C" P! b: r; G+ m! m
fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)
, G( L& g5 a) L3 r! ?; f
! |. g/ Y9 t' \' T0 m7 K( Y) ]象a3、b1这类输出内容很多的是被硬件注册的中断向量,而象d1、e3这种输出内容少的是注册为了的HAL内部使用的中断向量和本地APIC中断向量
5 Q* j* g @5 j ]( f0 P; x6 v3 u' Y! j
这是几个重要的数组:
3 V& }, G, B+ x" L7 C
* @, @7 }! s4 PHalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):
! ~# A, a' ?! M9 M8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e
) h: z- |; f q+ Q/ U' o
+ {7 v3 F o6 ] bHalpIRQLtoTPR:
$ @5 n; B$ r7 J) m( O: I8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 M. R9 h. g9 j( E
8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff
' |* b% x p* ~ K1 ^$ a0 K
: p- H2 R3 e* x# h& F/ MHalpINTItoVector:4 [0 Y( b9 m1 r* n4 V2 J3 z
8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92
$ W$ C7 [1 o. K8 ]1 c, S- r8 r8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00$ R" j5 L+ U4 g( w& I7 H3 p
4 p& g3 S! I% {: q8 aHalVectorToINTI:
& O$ r, v+ u# L8 W8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
2 D% k: D: a8 c8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff* Y, ^% Q; @7 N. {# f0 z5 f3 p
8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff- Q* j% l- i; w& w% x% p, R- h
8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff) m7 E0 E1 \4 A5 |& _+ j( t; D
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
( [; N: z$ N. A ]8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
/ S. x5 T* k2 h& [. m! e) _8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff9 b; o# t5 ~! P( |/ u5 ?/ C" i% G
8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff' D" z: q3 ^1 x+ B
8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff3 r# d- c3 r) Z( C$ I
8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff6 [$ K# w5 L2 s- f
8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff4 T8 G8 n1 J/ [- h3 d" M4 w" U
8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
, J7 P1 Y8 F$ }9 z: d" u8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
0 Q, @ ?# f/ n8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
/ C7 A8 ]7 K: v7 ^4 N6 p$ H8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff. ?8 S9 l; S9 Y8 N$ W3 ` t
8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff
* t0 ^# Y: Q# c% A# ?2 u
2 S6 l. N! R ], b
- c- ]' \+ N4 t" _( LvBucket:" `' _- I: E# a
8006ae30 02 02 02 03 03 03 03' ]8 W0 O4 \: N# B6 L. W c
! a- f3 V$ K4 V- Z: }. A
举个例子来说明一下,在我虚拟机里SCSI Controller的IRQ是17(注意,已经大于16了),到重定向表中查找第17项,得到中断向量为0xa3,再看IDT,0xa3对应处理例程是SCSIPORT!ScsiPortInterrupt。7 i8 V& s2 R& S
@: F; G9 C* F0 `* o. O' O) \. c. Z4 \
vBucket数组干啥用的?它就是用来分配新的向量。分配算法很简单,当要分配一个新的向量时,就在vBucket数组从右到左搜索最小的一个数i,该数对应在vBucket中索引为Index,新向量为(0x50+Index*16+i+1),新向量对应的IRQL为(4+i+1),同时会把vBucket中这个i加1,i不等大于16。象给出的这个vBucket,下一次计算时i=2, index=2。不过这些用于硬件的向量在IO系统初始化时调用HalpGetSystemInterruptVector分配好了,然后通过IoConnectInterrupt把IDT中注册的向量位置的例程注册为中断处理程序。这里并不是每个注册的向量都会对应中断处理程序,象上面给出的例子中,0xa1、0xa2、0xb1等向量就没有对应。
# C# O$ |% F: [" U
' a5 g3 [) r! X0 E$ D0 S% e# a" T2 j IRQL机制为内核同步提供了很大的便利,既对驱动开发者隐藏了底层中断机制,也方便了驱动开发者的内核同步。LINUX从2.5内核开始引进的软中断和任务队列等机制,很大程度上也来自windows这套机制的借鉴。
' v8 G! p: j+ h! U4 p; g2 T4 s; ]/ @0 }9 q
终于考完试,解放了,呵呵。这个东西其实还有很多可写的,只是没空再深入去分析了。在未来的64位系统里,APIC这种基于中断引脚的机制很快也要被SAPIC这种基于消息的更强大的机制所取代 |
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