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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=25344 R# A8 V( p( K+ M
1 U: i7 h3 {; H从IRQ到IRQL(APIC版)
+ Y% m% J: n v. K
* o* q9 V9 W9 K0 a$ @6 R: Q" k作者:SoBeIt F# k& j, n9 ?" f; H
出处:https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=455024 E7 l+ W/ r+ h' E8 N
日期:2005-02-04; \* R6 B7 V* C* o, _, d
E' o9 L9 m5 h* R) Y4 x
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。! l' i3 w1 o8 r2 @0 c! N) m
, m& J3 b( _$ l+ i) U
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。
/ _* a/ }$ X2 Y0 q( d/ ^% j
5 q/ P: h& d' m, Y2 @$ L A0 F9 S 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 o- j, _8 j: m: v# @2 T# I" L7 R
# q$ e2 A9 |9 G: V! u 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:
! g3 C4 }1 E8 u# J9 N4 U4 p$ [! h2 O- w$ e8 P6 J7 S
#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00 / I) p* H% ?4 M
#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 01
3 ~) C0 c' Q" X3 }: f#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02+ l! V* E0 B9 m
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27
* G9 _4 [7 L$ x3 j: T#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 28
" W2 Q' d! |2 y' j2 R#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 28$ P2 M# Q# w8 G, ?) q
#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 293 p' s1 z; D I" ^% R& }' m
#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 30
4 E: P6 ^; L7 v! y: |#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 31
7 D0 O6 Y. v/ p5 t4 T9 e( W% ^% w1 t" N6 ~0 L" }# V
, O$ x/ u- l% T, C+ L1 e8 h3 Q现在看一下一些重要的数据:3 o! J; S9 D$ f
. J7 i6 T8 W% @0 V' J) Z9 V这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:* n0 Q9 _8 _) Z9 E$ |* s
/ C1 p. c* G" ?; G+ S; A0 ]Redirect Table Index: 0x170 S* B. u$ A! h$ V* M8 m
Redirect Table[ 0]: ff# S' \' V: ^4 F' w3 ^: ]0 {
Redirect Table[ 1]: b3
$ G& h) ~9 {8 ^, |9 [Redirect Table[ 2]: ff
' q. d! I) D& vRedirect Table[ 3]: 51
+ w- I7 e4 a% }6 k" D) F& XRedirect Table[ 4]: ff
9 \8 r3 H1 J4 I* {) p* V* E4 ERedirect Table[ 5]: ff
3 @5 V$ x& p- oRedirect Table[ 6]: 62
, g; i6 {: ^- X/ A2 URedirect Table[ 7]: ff
' Q; K$ x7 p. K: F2 U8 {; lRedirect Table[ 8]: d1
* i% O4 G) q9 s2 e3 w* x5 `. ]Redirect Table[ 9]: b1 k7 [% r6 t) J$ M J
Redirect Table[ a]: ff# B, Q" q( ^2 ~+ J
Redirect Table[ b]: ff+ o9 n l0 J" B- [& k d+ Q1 C% T% s
Redirect Table[ c]: 52$ c: Z( A, E% C) U, J
Redirect Table[ d]: ff9 ^ J; I$ E3 y9 c2 ]
Redirect Table[ e]: ff
( K8 i1 A1 R' W! A6 jRedirect Table[ f]: 92
/ S0 H9 q/ b: U+ N9 \; X C8 F* J& C3 \Redirect Table[10]: ff
- k5 T/ `9 m' q- R' M2 }Redirect Table[11]: a39 I% H5 i7 K$ j4 @( f; @2 r3 e
Redirect Table[12]: 832 X+ s* i @% a( {; X
Redirect Table[13]: 93. V+ Z2 ^& x7 l5 V3 X& t# `8 Y
Redirect Table[14]: ff) b) d" `2 R/ v8 U5 N
Redirect Table[15]: ff
5 z0 ~& W9 @( O. I9 |& D6 {Redirect Table[16]: ff
: k* o6 j& k+ ~! x1 d4 S* q- oRedirect Table[17]: ff
I1 w1 ?5 R; e: R9 d, O" ~/ g/ G& I( G/ z
这是IDT表中被注册的向量:$ |/ d( @; Z) H' d9 f$ T; q( ~ y
! j6 o# F$ [& W- t' S, E
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)3 p2 p( i T+ z' I
37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)
* e* Q/ I2 ]) P! j# K- o& ~) J! w3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)% ?5 @5 R% j S
41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)
, j# J l6 M! i- k$ U0 ]' f5 ?50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)
: G' |% T p2 m# }51: 817f59e4
: s4 u9 J& ? ]% X1 y7 a% A% |! v(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))
& A+ B% Q5 ]3 c9 t+ i0 }52: 817f5044 + q& F& W. M" w6 ]9 a2 j3 k8 h
(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))
$ g( e% l( e9 c- A83: 817d2d44 2 {* G: Z' u+ M% {+ `9 s5 g
(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))0 T" l1 k9 ]( B, w1 c$ m& m
92: 81821384
/ T5 G* q4 T8 _% M/ [% {(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))! M+ y6 e) R7 L, f1 o$ @2 N' m+ t
93: 8185ed64
; ^3 }4 o# f% U* q: }( I(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))
/ m9 F5 P4 W* W3 i; T6 Va3: 8186cdc4 ( S, s0 q. {7 H* ]! o
(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))
7 \( @" g; I1 x Z7 wb1: 818902e4
& O$ x& A' t2 r( G6 c, Y& O(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))
9 [' A2 @8 o$ x" wb3: 81881664
2 _ _9 \/ q% d+ B(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))
! Z6 N' U- ?. W2 \3 `( Oc1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)
8 ]6 b- {) ^, Bd1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt), g! {( a6 z7 `* d4 q
e1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)
$ A% r( I8 A7 V: o# [ W( Y% ]e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)
- c! B4 J8 c0 }7 [! x- s' j/ Z8 ]fd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)8 [5 L5 C: R7 {
fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)1 K- ?" T0 b! W5 Y5 r
0 n0 E8 }% j5 O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
: W* k, y8 R/ E+ g
! O; u1 n5 D0 e; J这是几个重要的数组:' ]1 c2 l6 x" h6 O
. d# A7 M- L1 k+ @HalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):
% ~( a$ O9 Z2 E+ c9 ?! V- Z5 V8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e1 {& | c7 u( q2 U
, k- [5 v6 i$ T$ o! g; NHalpIRQLtoTPR:7 v. v5 M U- G f6 W3 ?
8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1: G+ V/ ?9 i$ N# o
8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff
1 G# R4 W5 a! V5 S4 Q3 t/ x& p8 M% @
HalpINTItoVector:
3 q( b1 E& e- ]8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92
% J1 z1 c$ F" q7 Q: K4 z, t- Q8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00: d& }0 ?) Z# D1 u
6 V; E: d1 m) s5 GHalVectorToINTI:/ s$ r, A5 d+ F- ~7 B# [
8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
& G7 K+ D, N0 M6 F: v8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff o% D3 R O4 c# \3 j* |& i
8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff2 ^ M4 d! j( J! D
8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff5 X) N {" K1 P0 v3 g
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff# R' C+ o# x# {3 Y0 v3 C
8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
- ^3 f8 G+ m4 u8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
?+ {2 ]0 P8 ]6 F- D% U8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff; z# H- W; b6 `% G& n- r
8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff' V1 R. A: G1 p
8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff4 E# R& k% m6 a/ g) M
8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
* j1 q# M" O1 X" j5 i5 A- y% y8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
' ?& w4 B1 b( P' H. J4 l8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
1 J" }9 g X% y2 z9 v8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff, Z. D- v; i8 u D% e! q/ @8 ?
8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
/ t/ Z i) p6 _% B# L/ \' ?8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff % l+ ~& [* Q8 v, w8 e* v6 C
b# I0 B0 a' L" U1 }& Z
" k6 h- @. u( [' `" NvBucket:
! Q' |8 T* J' d" h2 f9 i8006ae30 02 02 02 03 03 03 03. X) q& B' L7 t Z, c7 \ y# u6 e
- S$ V# _( X* C4 ^5 k F: 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。. h5 ?6 ?3 c0 }/ U. B
( I: m3 A$ A7 X5 P# e9 U1 T 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 o, K! a7 s" L- X( ^! I) @% Z
$ {& `# q2 C) @* G9 W/ m% l( N% P. l 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。
" M2 R d/ d% S, ]3 V" l* `; e; m( s9 n
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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