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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=25347 z7 s: A+ V: x8 x7 N2 P! o
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从IRQ到IRQL(APIC版)
2 f0 C9 ?2 N% c, g
/ }& K! B) V6 E: G1 Y. S$ C6 O5 Y作者：SoBeIt) s' N5 M# {. B/ }2 D) A7 G5 D
出处：https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=45502
) r% b9 f1 J+ K7 x日期：2005-02-045 l- D% u* W: l) y
3 Y* Q8 @; [! [$ d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。
+ G d( e; _4 b" q% |: A* ?: z3 f& Z. P- l6 p( Z+ b+ W: P. |! b
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。
. f& w/ P( b8 U0 [: c8 U! u# J
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 i- u/ A; d |' ^5 s0 B; g _- M: Q) J/ T8 U. H- h
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：% R$ } x: u2 ]+ U9 }
0 P& X: K6 }; p" u+ \#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00
- }! N# z; g4 o8 p! W# q* O#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 01
5 P: z1 ?6 b) J- x4 t#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02" w, N$ L4 E a' o. ?5 m4 e
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27, `" _( Z+ ^; a7 I
#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 28" k! K1 Y/ j6 Q5 l3 a; d" D" R
#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 28
2 i2 v' G/ l+ L8 q#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29
+ r: S* n0 f5 F- Z#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 30
! c$ q7 T4 X( h* P N#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 31
2 g0 ^% {: m& k% D$ J/ n
( @# a- f5 K7 J/ J7 F+ {" J0 R1 X! r; u+ P$ F. p/ s
现在看一下一些重要的数据：, B# n) z$ K0 U, {" ^
_: D; S$ T/ N- |% h. _. J8 Z; O这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:. m) r8 O1 T/ s! I& [6 c. v8 o
0 E8 X/ t4 ]. {& k' u' z0 f7 h
Redirect Table Index: 0x175 c" f! N5 X% {0 x
Redirect Table[ 0]: ff
" n6 Y& K$ u' ~Redirect Table[ 1]: b3
2 O, j% }; s' n0 J- D% X4 ARedirect Table[ 2]: ff; e- I$ c: }* j! m5 N+ M- Z0 `
Redirect Table[ 3]: 514 z5 K' q- G( C0 C/ e1 G
Redirect Table[ 4]: ff
9 N' |* u7 M& t: IRedirect Table[ 5]: ff
) f6 }& X( y8 ] p1 x* }; n) Q9 DRedirect Table[ 6]: 62+ Y2 t6 t9 Y- c; j7 s
Redirect Table[ 7]: ff( c0 K1 a7 S" @6 R+ w- W
Redirect Table[ 8]: d1
& F& |; J5 f9 O; s0 l7 }Redirect Table[ 9]: b13 g, s3 S! w) z- e/ Q8 B; _& S: T% }
Redirect Table[ a]: ff
: A4 V+ w, `- C- `% G5 M8 K. l: yRedirect Table[ b]: ff
/ X6 \' C7 G2 m) h+ VRedirect Table[ c]: 52
7 b9 Q& p' r5 B% Q8 F7 N% W2 N- lRedirect Table[ d]: ff* |0 [! j/ _0 F9 H0 q
Redirect Table[ e]: ff6 q3 W3 j- X& O) y
Redirect Table[ f]: 92' c( W6 e, i7 F$ l& I
Redirect Table[10]: ff1 `4 o" }4 x1 o0 c; O. I; N1 ?: D
Redirect Table[11]: a3& W& ^; {3 E% ?7 T; T+ V( S
Redirect Table[12]: 83* ]" ?4 H- k! L& n! a; ]" y* X$ b2 ^9 ~
Redirect Table[13]: 930 Y. m s8 y1 s; h: d! A
Redirect Table[14]: ff" \' q6 `! E7 O, q8 G
Redirect Table[15]: ff
; o) C7 @* F" A1 P+ YRedirect Table[16]: ff3 O4 v+ @" u2 P: |5 s
Redirect Table[17]: ff
( E% E2 _9 C% u# D1 W( u6 u9 Z3 ~0 g5 q+ l& a6 f
这是IDT表中被注册的向量:
3 G, {* H8 H6 F
m6 _1 x' q, `4 c: c! U" o1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService); U+ r# y, F! X( n) @. X& m* i* r
37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)' D( J% g' P/ ^
3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)5 l0 h) H4 L' p0 ^
41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)
1 I9 m+ c- v' U8 Y9 _50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)
5 u& V) }4 M: Q% Q, T' k51: 817f59e4
4 @/ B f+ j, r/ M' y! E* ^(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))
& r& W( {5 E4 D$ g, P52: 817f5044 ; ~' |& `; O$ c+ j' [
(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))5 S A) y t4 b1 v+ P4 _
83: 817d2d44 5 J: G( M& z4 U: W4 A3 j
(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))
1 z" Y- c# n4 T. P- F, W( s: u! z92: 81821384
1 }9 `$ Y8 }9 _' a: c(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))0 |3 H, y8 A0 e( }: ?# Q
93: 8185ed64
2 f$ s8 k! s2 ^, d0 R(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))- E1 L1 V! @2 T% a3 y' J# m/ P. Z
a3: 8186cdc4
& I2 k8 X, d9 G) L( |(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))
5 {, S% ^) x( h0 O) l/ q4 p3 S# E9 xb1: 818902e4 8 l) _8 r0 K( r; d2 T
(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))! x" J( b) \, [4 E i5 e
b3: 81881664
4 U8 W0 X9 N. R! r5 U2 f- H7 E(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))
T3 C- I9 I% X! \" \c1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)
9 o& N' S" r5 J' A- j. V3 v( zd1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)
) y. N! m. ~: ^5 fe1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)
. S- i/ z* f6 l/ m/ v' s' |4 }' y' a* ^e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)" r0 O3 m/ W: M" p
fd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)! D3 s) f' C: J! s
fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)1 r5 u R+ e8 b- K/ S
: v8 L1 K# W7 j; Y( X4 v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- C4 ^, k) N- t1 D# ~! D
7 f& S3 f- Z1 W, f# P这是几个重要的数组:
2 E% T* K# H( Z. p j# I9 a0 A' U" @' e& O$ A! v2 E
HalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):
) K3 x; j+ ~, d' ~' X2 s7 K8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e+ P5 l; T# y6 {8 @/ O
9 v- g! C' B gHalpIRQLtoTPR:
! p/ P$ x1 B1 {8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1
2 y5 ?$ r* z6 C2 O( Q8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff- n( c. E. f1 e9 P
+ a/ @; m# t8 A5 i+ n0 I9 k8 c7 s
HalpINTItoVector:
q, c: t! K; \' Y4 H6 J+ }8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92
3 m4 `% c5 M" X t8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00
% ?3 L+ s+ @) f5 @& {7 m; E( K i5 q, y2 W, Y0 D5 ~/ K& q
HalVectorToINTI:& ~- T# l9 Y7 J. o
8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff0 w- \2 [) I0 t ?
8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
! ]# g" E/ M1 S$ u# [6 M p8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
1 `. ^, ~# O' p$ y& ]: ^/ d4 w8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff- k- k8 `: U3 P
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
( _4 @% N5 {, Y! P+ @8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff8 v1 B+ X& Z, W
8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
: f/ C9 H. v- Z) v( ?3 c8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
0 t3 H/ n1 p/ W# t" @% n8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
! K3 U0 a% E5 O( f0 d8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
7 O9 n/ q* ]1 s8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
/ `2 q1 i# u; b8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff9 g I: T/ g7 f& K+ O1 ^9 B
8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff" S2 {8 g4 [: @% m' T
8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff% @) b% d! W2 |% F1 \$ V) k
8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
6 { A. l! `* }3 m% H$ l; l) `" ?) @8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff
1 A4 |7 Z8 g: P& H# _' L4 e0 Z7 S2 ]) W& I( S
1 t3 t- I& C# s0 M
vBucket:
! V* h) ?) L, W8006ae30 02 02 02 03 03 03 03# H z2 ]5 ~ G' }' V, I
" J, X3 F3 x7 W1 n# p 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 G4 R/ j: n: c1 K
# n! g* K6 |- @0 E9 Z0 i6 a% 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。) k6 L! p# D7 D' Y# o" u. }& e
" k0 X1 w4 Y- C$ z K f1 L; R
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。) S* A6 } S- s/ m, b( A1 X
( t- f; o( A8 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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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