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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
" N$ M7 }* b0 x9 {$ E& h* t, w. L5 b9 n6 `( p2 }, b
从IRQ到IRQL(APIC版)- n. u3 m% m+ m }% \5 z0 w
k6 z- j8 ^8 W4 j+ R, W1 h: P
作者:SoBeIt. q- {2 l. w0 e% w' ^
出处:https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=45502
, [2 A3 D p8 Q [+ G日期:2005-02-040 @! U5 h2 ^0 u. B9 K* f
% |% w8 _: W" ?& `/ `# C V* f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。8 I- w( i& ^4 c7 E
( h b7 r" H. d. J 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。
, \2 J! Z, Y5 `+ C; Z4 @. K
( n- q B( v' f3 |: _0 N( N 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。
* U5 L6 K$ C, g/ z8 m; U
% m% y' T( a3 t0 C r" Z 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:/ G; A, f' p+ |( p; \
7 e" a& q- D+ L+ ^$ S. ?+ Y
#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00
( ~; L& U" l/ Q4 W Z#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 01
' @8 o5 p1 }4 P#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02, G$ f4 @' C# V+ c
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27
- Z* d; L( j' T& Q#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 28/ [$ c# g: P8 ]1 N `
#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 28: U* i- D5 N9 @
#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29
3 a7 Q! V$ D4 o8 g#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 30
5 ]9 y; w& a5 N#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 31
5 I4 v( x' B$ H/ F& y3 z8 u0 q0 {6 M1 Y* ~8 J, Z" w" r
( C" O- m9 F6 g4 f6 d" B现在看一下一些重要的数据:
- Q6 z' p7 j* t; i* X/ d* q
+ }+ h/ [! s( a$ E这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:
% d5 \$ w6 H3 {' D0 D2 U
4 W1 J' z' d6 W+ |2 U+ g7 L5 ]& GRedirect Table Index: 0x17
6 E; M8 u9 v8 r8 I) q* [Redirect Table[ 0]: ff/ [- n' m5 l( j+ I
Redirect Table[ 1]: b3
6 S( h, T) X; k+ D& r; W' A. JRedirect Table[ 2]: ff
; V6 c) f- l/ ?5 k6 Q$ uRedirect Table[ 3]: 51) d! o) G+ M$ ~" E' ] T
Redirect Table[ 4]: ff O# J8 ]; x" G: L8 Z; r( N& M6 v
Redirect Table[ 5]: ff
I+ m$ x7 s! u0 `6 X8 h8 DRedirect Table[ 6]: 62
* [' r( R+ z. R! X. D$ BRedirect Table[ 7]: ff- O8 e) G7 Y" l( L& D4 S& B
Redirect Table[ 8]: d1- h( n; G+ b) _
Redirect Table[ 9]: b1. A4 M* c# B" J1 O& S3 _% K0 L
Redirect Table[ a]: ff
" d, Z7 ]# D& F4 N: ^. ~, nRedirect Table[ b]: ff
) V$ M1 B% I7 V4 x; S2 xRedirect Table[ c]: 52
( Q$ u/ j7 P; t( r# ?Redirect Table[ d]: ff" t; r% E2 r! W/ m
Redirect Table[ e]: ff
3 Y/ D. x3 f3 a' V& ~2 V+ dRedirect Table[ f]: 92
* H e0 c# f& w! y- G# JRedirect Table[10]: ff" m$ _% U$ ?2 K; h/ {4 f" ^
Redirect Table[11]: a39 G$ I5 w1 D1 d( P4 K
Redirect Table[12]: 83: z9 X) Q$ j0 L; m: r- ~! t. i
Redirect Table[13]: 93
: F5 _ t3 D/ P; ]( o1 xRedirect Table[14]: ff% b( Y/ V- s- V( E3 ?- J% A
Redirect Table[15]: ff
& M- }) H4 p8 ^Redirect Table[16]: ff
/ C* ], D% a6 }0 D$ p" `Redirect Table[17]: ff' o+ g* m" _8 M; d! k
- y; ~% W6 {0 r1 y0 H- v e( P
这是IDT表中被注册的向量:+ c* m7 {9 F& Z R1 s7 J% H
' w: V! C4 z; ~3 k; `& }' { i6 {
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)
% N/ |6 P+ @- h" n& @: J) b9 s4 L37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)
2 H! U( [1 }) d( y7 t: G3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)
: ^! U6 m3 U4 H+ F41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)
" z5 Q; a% h6 _! y50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)
( [$ C( k! _2 l0 _5 l51: 817f59e4) j( S& M; O" d% K# M
(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))2 G7 G. x1 L* E8 w: m) R) J5 b
52: 817f5044 % C6 U4 M* m. t( L7 p9 m
(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))
, x0 F8 ]0 _, M4 I83: 817d2d44 " S0 ]2 _# G$ e6 p2 R! O# t% Y
(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794)). _6 J9 @! T" [4 F) u; Y* z
92: 81821384
4 Z% }1 @, F V3 E# _" o, o(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))8 a3 [3 I. ]: ?' I
93: 8185ed64 # R* N2 b0 Z0 F
(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))
$ a3 C9 y5 \& g9 B9 h2 P# Fa3: 8186cdc4
; g* S+ ?. `* c% ]( o(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))
" h. [5 Z, g% m' q% G* ob1: 818902e4
* p; t) N$ e) r* T(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))
! n- ~' ]! m* v: ub3: 81881664
4 {, R1 _) k( N4 n1 f0 s* l(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918)), D$ I1 ?$ j/ Q! E' S% ]' ]
c1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)
) s3 E O: V2 g- x6 a; a2 h9 Od1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)
) W( b. C0 S' be1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)
2 F# F; _/ s" L4 Z9 ^- Y* h3 P0 Ne3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)
2 G$ a( g! S6 b, s, Ifd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)+ ], w0 N" }6 D- x
fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)
) s2 }; v3 Q9 D1 H
4 b7 x, J; w" \8 m6 ^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 n) q! ~1 G4 J- n& D
9 U7 [# Z4 l8 T$ P V
这是几个重要的数组:, E" \- y2 O# c4 c, ~! f+ m
* {; q) s k+ u( LHalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):! ]; D) ?% d" p# @
8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e
' {/ y1 a+ }3 w' \, ~
: ]6 ^: c# z& b+ yHalpIRQLtoTPR:
0 \3 k. m8 R9 I% i: R8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1
" B2 R# d& }+ A8 E8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff- d9 H# i7 l- e
' k2 F. N! _; p7 XHalpINTItoVector:) ~8 U; x5 N6 y/ ] P
8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92
* x, j; G: v# p" g" \+ L, g9 e& h8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00' |3 o- a" O: ]$ r3 h. L( _! z
5 a9 k% p* {' b& k f
HalVectorToINTI:
, G5 J: J# H5 }1 ?$ v/ T. U8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff9 r3 @# P7 R( D: ]/ c: D8 s! v
8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff2 R4 h1 i1 y7 h: h9 b% H
8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff. E# f, g+ o! j2 `: q. Y
8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff8 w$ o1 H, {2 ?
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff& w9 ?# u0 s2 y g1 a N$ x. h; k
8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff4 u2 `1 @; E+ }1 f2 t
8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff5 n% x0 ^/ h a* }6 o" l
8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff" K0 Q: n! B3 U( P; ^' A% g
8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff9 o9 @& r. j+ S9 J
8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff) a" W/ a* V' @
8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff. W4 g& f( i9 I, T; {& q3 _: d
8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
" ^; ^) z! s% s8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff9 ~* G0 v+ M2 Z# v" y4 P* g
8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
+ j7 x" d2 @. k- ? ~5 J. l8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
1 Z x6 O2 v( r! Z$ u) h0 [; g8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff * K4 @+ U4 W1 Z. a5 W
5 E- M3 p2 F! |9 Y, B
! `& r3 B( U8 o# R$ n: uvBucket:
* J; T, A' b: B" I6 T7 d6 f8 C8006ae30 02 02 02 03 03 03 03 u+ X+ Z5 P q3 T
7 i# Z! F' X3 J) X S
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。6 _% w1 b# n6 q) x3 M5 Z
5 B: S) J7 \/ C' A
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。9 Y8 Y8 x( g, ~8 n1 F
- {; `9 x. o) w 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。
, n! |9 c! e& r2 K: F1 }1 g& \: O. G Y8 |) _, \" @+ m
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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