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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=2534
% v, \3 ^9 B6 q7 n' _) F9 H# R/ Y2 X" L
从IRQ到IRQL(APIC版). N: ~8 s5 o8 z0 {3 v5 r
# B O1 x( \ u/ i V3 Q, u0 f
作者：SoBeIt
5 ]2 T( q) Z/ B/ c l. j# Y! Z' Y% a出处：https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=45502
6 z6 K% A8 q3 ^9 f2 M* J日期：2005-02-04( J, A0 ?6 M7 N: ]& C
% }( v) T; S% u2 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。5 H) s$ n& y, x
6 P' e; \% b" M& \6 O 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。5 q- v# ?) x% k8 \' F# F5 {
' \5 _; r y8 k2 s5 }, @% \9 ]
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。
( @5 Y1 \* c' o/ T; r: |
/ |" w1 [5 {) B4 ^* \6 v 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：
; e8 }0 E0 e: I7 u, y: f* e% T. N; }2 V) V2 o7 a: B9 `$ j
#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00 . K# P' ]; q: @5 m+ g& n* @
#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 01" w- Q; X% d' a7 b& o
#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 026 l' S* h4 q0 N
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27; v2 D7 L* F+ z: }" }
#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 280 u( ]9 {+ b, N! X' K3 b
#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 28
+ }/ j7 P5 i) v# `' v#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29! k% u$ o h2 z/ s- G* w a. |
#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 308 r6 V" u @% S. H9 Q
#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 31
7 o6 l: J$ D% l1 h$ M2 u. ^" c9 U. P( F* X& m) Q1 Q! c5 |
% i( l% V9 m4 c* K1 G* @现在看一下一些重要的数据：3 D$ ?+ c5 _1 z7 @3 q
4 n f2 B/ p3 _5 ^这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:. ~2 `; p2 H5 {; {) ^
' J m7 @; Z# l% s$ ^" e) E; ~
Redirect Table Index: 0x17
, s1 l A. [( e7 f# [( e' P8 \% FRedirect Table[ 0]: ff
* K3 z7 @: T# v. v2 ARedirect Table[ 1]: b3
1 `! S) l+ k- l0 W8 i& K$ y- [Redirect Table[ 2]: ff
5 Y: i5 _& S$ MRedirect Table[ 3]: 51
8 h' V- r6 f4 ` n$ f& YRedirect Table[ 4]: ff
% g9 S: m* S$ N7 g' DRedirect Table[ 5]: ff
" ^& C% v! a* L: E* c7 \4 rRedirect Table[ 6]: 62
$ d1 \" J$ d: L2 q. lRedirect Table[ 7]: ff
/ \6 E4 [0 S4 o5 uRedirect Table[ 8]: d1
- V3 L- T- S" Z$ R/ N& HRedirect Table[ 9]: b1
1 F6 s1 R6 q9 ]Redirect Table[ a]: ff
* H/ w7 m' Y$ g) a4 MRedirect Table[ b]: ff
' [8 m6 S5 |$ h8 \( i2 v: L1 WRedirect Table[ c]: 52: ^! \8 S) n4 x' `& w4 t) c# F
Redirect Table[ d]: ff
7 |5 _8 |4 `- H4 M& ]) T8 }Redirect Table[ e]: ff; C/ P l( Z, I+ z
Redirect Table[ f]: 92
" z; F; O! E- ]7 G2 {- F6 s0 cRedirect Table[10]: ff
8 H2 j M) M& m" BRedirect Table[11]: a3
5 u, D/ ?2 p" X7 _( z' T$ {3 XRedirect Table[12]: 839 p' S$ `' _# E" Y# S) Q5 g
Redirect Table[13]: 93) }) `% ^9 P+ K7 p/ j4 z8 T
Redirect Table[14]: ff
. p0 _5 W4 z$ Q8 S& kRedirect Table[15]: ff! s2 X/ p) c( }# I9 V5 F
Redirect Table[16]: ff: X, _4 F$ B% h& o
Redirect Table[17]: ff
: ^" F( j8 z$ C7 Q! i" U) V& ^" K X* A# h
这是IDT表中被注册的向量:
2 a& d" L/ i! Y3 T5 E0 g$ ~7 q, S+ @9 E% Q8 C1 t
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)& u2 x/ c2 B9 Q
37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)6 F8 i# n+ t6 A/ r. C% I
3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)5 U' O, Y4 y0 B3 ^+ I, e3 Y
41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt) Z9 V* R) O8 s% X1 ^* Z- @" a
50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)8 V+ p* D2 g2 f! l' e' y7 p! [
51: 817f59e4
9 Q; J/ N" S! A& f9 X& c(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))- W' F8 s9 C7 C% e4 S! V
52: 817f5044 + Y ]: q- a& b7 r0 S
(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))4 N- F- j" U' g% b& k
83: 817d2d44
- _* L1 M" i n* w% j; a% v(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))
9 t0 D3 z6 E9 W2 W3 b92: 81821384
' |; k% O4 }. C4 ~& ^& f# x q# u(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))
* A: Q' z" ?5 v, r; m; d93: 8185ed64 6 a$ {" N; t# u( j& g+ b% z: Y1 r
(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))) \) Y/ C) @" m: D( P
a3: 8186cdc4
: `0 d! m: A* y3 A(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))& _& _3 v9 A+ x0 i
b1: 818902e4 * v; ~4 _5 o9 ^& e2 l
(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))* y6 u0 x5 L! L9 Q" v
b3: 81881664 1 A, b! l& d/ _) ?% g& v
(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))
2 g6 w+ T e- m0 ?3 p7 Ic1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)
% b8 y( V& X4 Z" xd1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)
/ U F* p( P2 le1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)- ]3 n! r# Q* j4 i
e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)
- q$ t: ?! i3 v* G" `4 Jfd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)( x1 _" j2 Z/ E$ Q6 B! U1 e
fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)2 F2 J' V- q+ I/ u/ w
; t! h- o+ B; G" v7 w* [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$ {0 k# }. y8 i9 t/ `
4 Y* _. d) R: f, r. ^$ Z这是几个重要的数组:
- A" Z! u9 Y4 r! U8 k! o% e* n g2 }- D: B |0 x5 n5 e4 X
HalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):
- C# j" v' G, K& K0 d4 W ~8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e
$ i1 p3 h4 J+ X" @
" K' s" v* e3 c% [HalpIRQLtoTPR:: a6 {7 W) L; N+ k) } t
8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1% G# i- z5 x$ s: {3 L6 x2 m
8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff2 q; l; ]# f+ ^& s% ]8 ]% }1 L
6 w. z, `2 v& N4 R
HalpINTItoVector:9 \% @& G9 j! F3 r7 L! P4 O2 u
8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92
( h6 r9 X+ X8 @; ~4 Z" K" S) a% K$ `8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 007 p9 M x& f* D( M& |! e- w/ l/ H& q$ B
6 Q1 Y% f) t- k, H0 PHalVectorToINTI:& v$ ?1 x4 r, r2 E, X
8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
% n7 T6 _7 x/ c" O v: {3 F+ c8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
" u. s4 a/ L) O8 v* [8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
5 h- L7 a& f& S( y# n0 ~$ K4 O8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff8 ?, g" N9 z u
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
6 A: v8 y: x6 {* }8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
s4 _$ k/ T1 b5 Y2 N8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
- b* U, ]8 `0 v; T8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
2 ~* p9 ~# @7 h. c: f9 |; b8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff' Z& S# e' K D- P
8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
0 n: s- _8 `0 R$ F# A/ b8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
7 r) |/ R, r( l8 d( ?) _8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
/ j3 Q' B8 `% {$ c5 G) Y8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
/ O& U" |+ c3 s- J! i I# P. C8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff. T7 i+ R- {$ T, m. O; V9 f
8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff6 w! M, V! J( p. }
8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff 2 A' [. Q5 o' v* j7 \
3 d; e$ X: Z" Y8 v' }5 a
# ]" t6 Y% ~% R
vBucket:
4 B; w) R( [: L0 |* ~, H' {8006ae30 02 02 02 03 03 03 030 D# ?( n/ U0 a/ m" F
) J- J5 q/ H- [& z3 m$ E/ m! J" `
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。
U* l. T! J, A9 q* U) J% P4 w
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。
|; X* u+ o* }! J+ W$ L) w" D' [% A. ^9 w p( W5 [. z" T6 m( o
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。
* l) R& ]) N- W. g2 _1 E6 v% Z! C
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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IP卡
狗仔卡
发表于 2008-2-27 14:24:22
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡
发表于 2008-3-13 09:04:14