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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- C2 w$ J+ [0 {* ]* `* y5 J/ [
/ s2 H L) T2 l: ?; P8 U5 B2 h从IRQ到IRQL(APIC版)* S- @+ @* C* X/ u a
3 S; r% o+ O* t8 O. S- e% W/ O
作者：SoBeIt r" J4 Y7 }9 r3 `5 ]. H+ Z
出处：https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=455021 ^- ^6 x9 B( T: L
日期：2005-02-04
6 D: G- r4 i0 u/ g0 U* J6 V2 U4 {6 ~+ Y8 @1 Z( P: E5 k
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。
7 m l' t6 B# Z5 b0 I, p6 X2 H
. ~* M$ g7 w4 x 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。
4 [# e& u4 i; s4 {, n N; n+ ]
& V# c# Q( I- S7 O+ T' K1 X r 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。$ N8 l! a1 ]% `: f/ U3 y
! B. Z2 z9 t+ \9 ?& B 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：
}! b' s, e# a+ u) `. H; p5 ?" T3 B1 y
#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00 , n$ b9 Q5 x$ e6 S, Y3 }' ]7 e, z
#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 01" E* f6 G8 y* |2 g8 f
#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02
( f8 N g3 ?! {#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27
, C4 o4 _) Y1 {0 {/ d( m& A/ z#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 28
7 I& U. e6 \ e F z#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 28! k* `% U) C# N3 c" l
#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29
, f& A; G0 J/ f- Z+ \: q' X#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 30
# V, j5 B5 H8 z" C+ n#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 31
6 L) g3 \ ?. ~9 h! u( S+ b$ x. H, r, p9 R. [# V9 y6 J% h
. S$ `9 |1 f7 s+ w% Y5 A C
现在看一下一些重要的数据：
/ m4 r% ~) |9 X- ]( I- m& s+ ` `- u* s( N
这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:9 r6 b3 R5 B1 Q6 B. s" I. G+ Y( y6 A
0 t6 u8 c! a' w" l+ eRedirect Table Index: 0x17! \% `4 ]8 u8 J% \5 d
Redirect Table[ 0]: ff
2 g- a+ S8 m1 c( URedirect Table[ 1]: b3- Q+ y: ^% m) `% U
Redirect Table[ 2]: ff
& |" w7 }- f8 n5 T* yRedirect Table[ 3]: 51
" Z* p! n4 D2 s/ j- rRedirect Table[ 4]: ff" ^: X8 ^4 l1 h" g
Redirect Table[ 5]: ff
5 n1 @, b: N: P }- \4 w: tRedirect Table[ 6]: 62
, n. U$ k4 p4 x8 A4 E8 X6 DRedirect Table[ 7]: ff
7 ^+ R* ]: w! ~- |Redirect Table[ 8]: d1
! q6 g( `3 I+ M5 C# ~! o9 k) R% {Redirect Table[ 9]: b1& J* O+ D$ ? ]5 S. U
Redirect Table[ a]: ff0 Q, ^1 w, F! b! r: V/ {- J
Redirect Table[ b]: ff
9 x( B! A$ {: _$ r# {' GRedirect Table[ c]: 52
! L* A8 b$ c) _8 J, H) \0 S! o3 X6 ]Redirect Table[ d]: ff
@# C( V% T' C( ?+ i, }& RRedirect Table[ e]: ff
3 g4 B( H* Q" i& K) h& C' R; M$ e" k3 \Redirect Table[ f]: 925 r: L) P" X( u! j
Redirect Table[10]: ff0 L+ K5 ~- P0 F
Redirect Table[11]: a3
1 j& Y8 W8 G! [& MRedirect Table[12]: 83
5 r3 x" f. G! uRedirect Table[13]: 93 V8 P$ ]7 D; p2 j, X! y# R& ]
Redirect Table[14]: ff7 ^/ D' L4 E9 s$ L! p
Redirect Table[15]: ff3 e- [( e# e5 F' }1 ?+ _( A7 _
Redirect Table[16]: ff
- ?# J9 r) Z. l: U5 \# a1 v) v6 a5 P+ H+ RRedirect Table[17]: ff$ U+ X# [" W) ^9 j1 N! X
5 W4 r: w$ z2 ~1 F这是IDT表中被注册的向量:
# Q% I. ^) {# \- u- j- F' D: Y: @* G" N/ g) P( o0 h3 q
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)8 `9 R) V% i% B5 m+ V) h3 n
37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)
0 n: C. l0 G* K. A3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)
1 G" i0 w) U- S( r% k, z% h41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)3 H( |. C/ J1 K' U5 h. X2 t
50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)
$ K& S# B% g& Y6 ~ s- n3 I51: 817f59e4* e5 \% Y" G' t7 i' J% G
(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))
) {/ T, R( m' V52: 817f5044
2 I0 T/ i) q8 @# L" ^(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))8 i, G% j7 w6 O0 d: d* ?8 \
83: 817d2d44 8 H& f: w- ~8 w- t1 Q! I# o7 \: V
(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))
1 Y' L& W1 i0 Y" c+ h: z+ m92: 81821384 ; I9 w: n$ O7 v9 P$ \
(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))( q' H, ^. I) N& _* ~% P& c
93: 8185ed64
1 T2 ~$ K& _( T+ Y(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))
$ G7 z! x6 U p8 ~) M- \! Y) K$ Ba3: 8186cdc4
/ U, \! s4 |- m+ g(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))
: P+ m, p' F; B; R! vb1: 818902e4 1 G6 |! N1 I' p$ H; [8 z5 C
(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))
' |7 @% c8 T8 G" x" K$ wb3: 81881664
( i l/ k' H: X% ]$ \) U+ p(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))2 Q0 F4 \; `' t9 b7 ?3 p* S
c1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)2 g: l7 v3 K! }
d1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)
' c0 g; d y/ b- q1 O- Oe1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)6 D, U6 Q0 g* P, [
e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)/ q. D" U l5 R" f6 ?6 e
fd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)
1 N6 `$ b% l5 h8 vfe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt); B7 `" m; C3 K1 [
* p p" g3 |: z1 o4 \2 }/ [, x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
2 u; G) B& o6 n+ v
; D2 X9 i/ |* @, [* B# q这是几个重要的数组:- E$ v. h4 y3 S4 |+ ^8 b" H9 w6 R3 {
$ u+ A# G( l+ {' f+ u ^/ C/ ]
HalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):
) _# i+ u1 ^ i/ \8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e1 V# v$ X1 ~0 @$ P" H5 ]
! ^: b/ l5 Z( p3 q
HalpIRQLtoTPR:* y7 [: `7 S& M+ H& c' f$ q8 |
8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1
, W5 ]8 H+ k: c9 ~! | Y5 d8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff
! ?% F" N! h# w8 `2 U8 J8 q) a9 ]3 e. ]+ {4 V9 c8 Q
HalpINTItoVector:7 ?7 j" z2 `$ F/ V: R
8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 926 A% O) }1 {( i
8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 002 |& K; [: m* R- ~+ _+ R9 `
' D) D8 F7 t+ ?# uHalVectorToINTI:6 H/ d/ t2 N4 E
8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
$ q9 ?6 m* \9 N8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
4 x: M7 l% w' a" y6 p8 D8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
4 T2 H* m* N3 w l. m3 E) v/ o8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff5 k. J: R& p- I6 w4 O
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff3 \* D" x! y# D7 H8 B3 t
8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
' r$ ?* s: d. M8 r$ t8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
. e2 s0 ]! _5 j% E8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff7 p7 @- U+ v9 B1 _* l
8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
^& M& g6 X* T2 Q) X8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
. H( q9 J! N: c4 l, @: j6 L) I8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff5 w* K* K6 i" U8 P
8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
% E3 \. n8 M, C, x) s& h& p) t, }8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff( R' Q. F# c, W
8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
( U4 s1 R+ H: p% c2 @4 H8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
3 {( { d( O9 z/ q& G0 j8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff - z) i! i0 A, O4 B& V: C
9 x$ P: s/ N. A' k
8 b$ x8 N w. E7 X0 U; f5 z
vBucket:
7 G( X6 r$ ^; m5 F8006ae30 02 02 02 03 03 03 03
* n9 I. B: x$ l2 I7 ]! F" E9 } A; j: J' V/ P. _4 W
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。
% Y% a% t. V% A: z8 U* k& O d
" S. B( c% S, `* M 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。, _# _ ]1 n# \
8 g- y2 c1 o; {+ L i( Z+ ^ 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。
" X' ^( P$ b% H1 @3 S( S* g* r, N/ t
; t$ P$ M, [4 _! \9 b( Y 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