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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& W$ M% ?2 y% d; c
/ ^) ?1 M* f& Y; R. c从IRQ到IRQL(APIC版)( u% s) o; ?' J% v
- H: R; B2 A8 A: s* x4 [8 D' ?
作者：SoBeIt3 e0 [: {# ^+ T3 I% l# B
出处：https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=455024 I4 X) ]* w& d7 e
日期：2005-02-04) O3 K- ^" T; L& L! t& H
( ` J N/ V( R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) ~5 u0 t4 |2 a
3 X! x8 P: J ?% C- o' y 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 S% ?7 k% @& ]& n1 O+ o# C
7 d1 k5 J0 B) n, b( Q2 c
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。* F U; c" B1 f5 z$ _% s( [
: _7 c: _0 @$ b5 ^/ X! W 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：
# y4 m8 I X5 _9 r) L* B1 M, z( u2 _& h3 u8 n
#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00 & }% H: }1 f+ M) g. b4 p" {- [* l
#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 013 J+ F2 k8 j% A# m0 H. x
#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02. n! F. R% y7 E0 N3 ~8 t3 w
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27
8 ?; j. s1 g5 `& X! @#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 28
4 j0 \. {* S3 [) _1 E5 Z* f& P e#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 287 i3 A) ?' o6 ]* j! D2 K9 S5 X* h0 p
#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29
3 c) f1 ~; w5 p! p; S* p#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 309 g! C4 D" t5 V4 o
#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 316 n! C* ^# } s3 p) _
1 m. y+ X. L) ~7 h( ^5 \+ w/ U, Y
: a/ t: I# H+ |! H( i1 M现在看一下一些重要的数据：
, A) G/ R. \8 z0 J6 m5 O9 r/ n# t$ s- i: ~8 ?% ?3 w1 f2 u
这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:
9 s$ G4 }) e3 m# b8 v; t3 K! ^7 N: z0 Y; _( R% W2 _
Redirect Table Index: 0x17) ?. \0 F' q# z& Q: G$ M: Q! p& q
Redirect Table[ 0]: ff
/ }5 l: s9 w- f( T3 s2 IRedirect Table[ 1]: b3- c ~3 m- @% }2 e
Redirect Table[ 2]: ff
2 I X0 @; d) ]% m: rRedirect Table[ 3]: 51
) X. @% d; V# e$ N9 E, t! ?7 R! T9 s$ t7 ERedirect Table[ 4]: ff, e H6 p1 p( Y9 r- R* q
Redirect Table[ 5]: ff
7 w5 Q }1 N. [% u. G3 u! \Redirect Table[ 6]: 62( ~% w) W D2 C7 d) \/ d8 k
Redirect Table[ 7]: ff
* c# e5 ^/ {5 i+ v( kRedirect Table[ 8]: d1; w, g7 C" P' ^1 g2 {8 C
Redirect Table[ 9]: b1
7 m3 @; j' N: j! HRedirect Table[ a]: ff! g: W/ T( {' l" K* o! b9 u6 D, R
Redirect Table[ b]: ff Z* e, K) Q. I5 L- F; h
Redirect Table[ c]: 527 m+ n4 K% o# e, ^: u! L G3 m
Redirect Table[ d]: ff/ M- W4 j3 Q- s4 X+ M. |
Redirect Table[ e]: ff: \; ]* u! W' y( t+ ?' {
Redirect Table[ f]: 92
7 h# c2 i. n6 i9 v! Y% l1 `( cRedirect Table[10]: ff
' ~; _8 a5 w9 yRedirect Table[11]: a3- E9 p# Q! K- H2 c+ E4 T3 f \
Redirect Table[12]: 83
. N8 s# H$ r% \$ w- d. \+ P; V, QRedirect Table[13]: 93
8 y M; w' l; H: @5 N4 K J. A3 r4 vRedirect Table[14]: ff8 i* r3 B" P! s9 `8 D T3 d
Redirect Table[15]: ff
4 ~4 ~) A; ], X w" } z" Q3 L, {; FRedirect Table[16]: ff+ [8 D; c" F% c% i$ \
Redirect Table[17]: ff/ h; T# J& o# j/ J4 ] R
- X+ g; H7 R2 K; R5 e3 ^" Q" Q这是IDT表中被注册的向量:
' J6 @$ X& j {; I0 ~* Q7 y. m$ v5 g/ P! y
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)% R- r; o( g" J4 ~2 M9 J
37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)
5 A- W# H+ h. }) {, \3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)
. C: \8 g% S' }5 _41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)4 {- `& k( b4 S! ]# [$ U
50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)% `( F' s6 B7 U1 x! \
51: 817f59e4
- @& C! @5 d/ G9 g(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))! }2 y4 ]0 b2 M% Z4 q8 @
52: 817f5044
# ~8 O0 e f1 \8 I" q" E1 m; M(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))1 @& Y/ e2 n- ~+ R3 W7 F9 H
83: 817d2d44 / R7 P7 x) B2 t* s
(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))$ F$ n6 L, p7 A! ~2 ~5 q! D
92: 81821384
, b! @6 z' n* \: Q# k# w(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))) J' F8 w- M) v. X" B$ E- j3 V
93: 8185ed64
; w* B$ m- G, h! W! v(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))" n; S. v- y# Y) E# v* f8 m T2 \
a3: 8186cdc4
: q! \7 T; o; i0 ~) {+ P. [(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))3 o9 e! x; \7 @3 L
b1: 818902e4 - q- ~5 \3 ~& L5 b
(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))
2 P! S* E: x& W9 t/ z Y, u! m: h. Hb3: 81881664
! m9 M0 @5 i* y; M(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))3 b& m$ s# n7 n
c1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService), g4 z. m4 r* \$ ]7 f; A
d1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)
& R: D. S8 K- v' X! te1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)
( q! M# E; ]# W( d' Z5 u1 e/ Ae3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)" o$ m3 b6 y6 f4 _
fd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)% |: H4 u i- K- f) c
fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)
7 k9 H7 b" m' b$ L' w
& [( l! r' H) Y/ e+ `: s' r ~. `2 G- S; C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; e: d. c. M3 t
6 X4 R! |0 z4 h- M3 R这是几个重要的数组:
0 i+ x0 r2 b0 H# n6 q9 W6 P% a- `" n2 \" `' t& J/ {& \) y
HalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):
Q0 {9 P9 R( f U$ ?+ C) J$ O' C8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e) e" ?+ ~* p% ]! U- H8 j+ z8 z
- v) H1 v* [1 E" T; IHalpIRQLtoTPR:
/ m6 a+ G, z5 P* N6 ^8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b14 J- N' D! G) q9 d9 @+ ^" N
8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff
: E- e |% U* U) |7 B3 x& N" w
( M K, b( V+ r4 o+ CHalpINTItoVector:
! \0 p7 q' _: q6 C8 E. @8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92
; C! t( S6 r6 _% U8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00
. m9 a9 i; ]' W2 q0 I4 ~3 q6 Y7 N7 W0 d) y& _, c Q* E }
HalVectorToINTI:
5 E9 p; s0 S2 \' z9 \8 q7 V1 y( G8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
$ I& l. ~1 j0 Q8 _8 \2 r- d& c8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff) A0 z8 n% r9 w$ I r0 k3 I
8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
0 u& P4 v1 Z$ \ n" e g' j0 ~8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff6 S1 i3 w S& r1 h" q
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
: t* h+ D- H: f: V% j* b8 _8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff2 t6 w8 O. Q) X7 L0 l
8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
2 o( a7 u+ i( F) I8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
9 l. X7 n8 w3 w8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff* O+ i0 h' y u% Z; t/ }+ t6 a
8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff w. W. I# m' n C$ f
8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff4 h6 H# _' x# i% b# c7 M! ?
8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff2 v. i7 e5 r- ]1 b9 x
8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff4 w7 z0 C% `/ M
8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
( ~. u% u! c6 a8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
: d5 b5 U. d4 }- J" H. i) u8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff 6 x3 C& J9 k4 V* C2 r# _
( U& c- O0 \% v) Z- p9 K* q" w5 t- s& Q( P$ g/ V" Y
vBucket:
- G7 P/ Q8 O' P+ C0 }8006ae30 02 02 02 03 03 03 03
# B# u, ^% E; F3 \) a9 `& |: m {& G% B" O
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。
; k1 N1 C7 E4 L- E+ P) C7 Q7 J6 v8 f- b
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* k9 | Y8 U# J. \
+ s' V# @5 ?! ]( ? 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。+ z2 J" q$ \6 |( X P) ^3 c2 v
& J0 J1 ^/ n4 ]. |
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