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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# ?: `* ~: q ^, c
6 S! j/ l$ b5 ~& F; n! K# b: S, I
从IRQ到IRQL(APIC版), H" o- i$ \6 P* x- \# }. n% `2 Q
$ t2 R4 a. u! X+ o) N q: i6 o作者：SoBeIt) J* z) s8 e! \4 f; X3 Y
出处：https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=45502+ i* Z8 n2 L3 N" y+ v( J
日期：2005-02-04$ u* Z, x% ?+ Y& } H8 Z9 [
7 Z# Q0 |/ P" U% m; C }6 \5 W; v
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。
: w6 M: [5 b% Q9 m
6 I7 R0 B$ t; h0 O- c6 l1 v; N/ Q 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。
: D! z8 P: O) H9 b9 f' E) J) \8 R) Z, c+ Z0 m
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。
+ w4 k+ G" o: w( p, B/ z4 U. S8 F- U/ u; 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：: K( i z: G6 N) u4 r
6 P: f5 U# J+ Q$ u1 h+ W& g#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00
, K: b6 y: H$ m* S% @0 B% }+ \- U#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 01* O6 H$ O8 x x
#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02" l- P3 P3 E- N0 _4 {2 C/ A
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27
9 ?& ^$ e% `4 G9 X' x( T4 p- M0 I#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 289 {) R w* b, m: V! w
#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 28
, ^# x9 o( n- n0 T) L#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29
# r: X9 f$ l4 G+ }; r- Y( }* s#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 30
* P0 _! ^9 ]5 y" j; r9 d& w: j#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 314 k I7 X8 j! q' H$ `
6 h- P- g- |" d
7 c) z+ r( G, ~4 Y现在看一下一些重要的数据：
: f5 S9 m4 P2 v" j) y- _. d5 S
; q7 j9 y" o) P) J& l这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:. t; X& n( t6 H2 Y( I; m- n4 `
. z W# `7 G9 k" Q* @: CRedirect Table Index: 0x171 d+ u4 b. n& m
Redirect Table[ 0]: ff
0 _- Q: U0 I. n. ^Redirect Table[ 1]: b32 c) J. @* O1 h6 L3 x; j
Redirect Table[ 2]: ff& _5 }! a O, i- P x
Redirect Table[ 3]: 51. M6 w- v( q H
Redirect Table[ 4]: ff
/ N! g. t! A$ G, Y4 O, l6 w# w; \Redirect Table[ 5]: ff
9 p) x% S) f; h! w x6 i8 u1 oRedirect Table[ 6]: 62
/ O9 k+ Z* @' g0 `% S+ r* m JRedirect Table[ 7]: ff9 ?1 h# Y1 p ^/ |9 j p. u: s5 |
Redirect Table[ 8]: d1+ n5 E. @# S3 W2 j4 `2 {0 J
Redirect Table[ 9]: b1# u8 T3 h5 f) [- _$ f8 I/ [+ M
Redirect Table[ a]: ff# z5 u( K7 d# X" D8 B) n1 r
Redirect Table[ b]: ff* C u: I6 H$ [& g" D1 D
Redirect Table[ c]: 526 o/ Q# ^4 B/ ~% ^: J
Redirect Table[ d]: ff% B, I/ E* D2 a* z& _( Y* W
Redirect Table[ e]: ff9 T. x9 x) F/ [3 z* \: l7 f
Redirect Table[ f]: 929 h; s9 ~7 `2 S; t; P
Redirect Table[10]: ff, x' g1 I# o) m, ^4 B* F
Redirect Table[11]: a3
$ A( }7 `2 m! T2 o6 v. ?# ]1 O8 @Redirect Table[12]: 83
: V3 Z9 P7 L4 d* kRedirect Table[13]: 93
1 H. ^" t8 P: k( K8 R' w; iRedirect Table[14]: ff
6 l. ^9 R6 N" T# C1 n) Q. @Redirect Table[15]: ff" s! T, R g7 m
Redirect Table[16]: ff( W8 X/ {7 {2 t# c9 y7 I# G
Redirect Table[17]: ff
5 Z' I6 L+ o B. [0 n' ^8 t' E
; j9 a% x$ I8 n( I这是IDT表中被注册的向量:
! _5 s, E( C6 H' ~* U( e) I. l2 F, `7 i+ f. s$ L
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)% ]( h) F5 l/ h* m& J
37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)
! z' z! f4 ^ _5 v5 B7 \6 L3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt) C6 |: m8 A: [9 X- R0 \
41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)
3 L' V& S. }, _1 M' v50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService): e) E# J/ n! \+ {7 Z- J
51: 817f59e4' e2 }& I! q/ W8 o" E/ J( ?8 z+ `- x
(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))0 A" d9 u. \- n7 O
52: 817f5044 ) B2 h" O) w" j' b$ k6 `2 n
(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))
( k6 U; O! `( u83: 817d2d44 8 b, s2 K9 e7 j) d, v. Y% ]
(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))2 N( j, }2 G7 u: V- T6 K
92: 81821384 4 \3 E! m1 n6 U) A
(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))3 d+ F3 {- ^, y3 T% _
93: 8185ed64 2 M/ W& ^1 f8 L! I" F+ E
(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))
# v9 S* _; B3 x0 G- h' ya3: 8186cdc4 9 ?' ]2 W% |+ f+ j y! ?0 v
(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))2 z" m2 {. @/ g/ ^# `
b1: 818902e4
" A4 [1 l* A9 ]0 I% h, e* h! _(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))
7 m; T/ K" j( [" K% _- o% j Db3: 81881664
( D! b: N3 |: _& b3 g. R. E(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))
1 X6 R Y7 \; e0 {, V$ h) f2 V, dc1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)
2 ]1 F+ \/ k% @9 x6 d; rd1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)
7 A3 j( T& t$ Y; ]1 T: K, X/ P9 re1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)9 q6 S3 m3 T% T$ p2 `" P
e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)
- |( Q+ r7 f( Y, tfd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)
4 O' ^4 q2 l; B" {. f1 j u( ]fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt). |& G& G7 z" o$ M( m, a, E
" P. C* ], F$ e. w: 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9 k0 g: v' M/ v; S
8 \/ b2 c# b' f* M% \, w6 a! ~' }
这是几个重要的数组:1 n: s! L( |3 S& w
% g! } s0 |; I ~2 j, K1 _$ @HalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):
7 r: a/ `# s6 b# H3 x* Y( E4 G8 o8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e! F( O( o. Z4 V6 T/ T& x
$ o3 e' G0 u4 i$ m0 y0 E
HalpIRQLtoTPR:
3 l$ z4 B4 O2 _ ?: r$ b( [8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b15 }1 g( C/ R3 y( i1 m
8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff
& R8 T; G' L% F% }/ z' r* L- H9 _: r* |$ M/ g7 t2 d
HalpINTItoVector:% ?0 d& f- }3 a1 C4 w9 K
8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92
% X" c# l5 R' v) h; V8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00
6 l3 D; m; D# ~* t% \2 _* k8 L1 V
HalVectorToINTI:
6 i4 m4 x6 Z2 r9 H! N8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
% b2 r' ?1 c; E% k% `8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
' T/ h$ F$ E9 L! l: x1 I: q8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
2 j1 d6 v. Y- z( |6 B2 [8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
( k: g( i( r# ]8 A, S2 _1 t8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
' \6 j9 _- q( A( X8 \8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
/ h) U4 ~0 B( R- _8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
N+ y5 i, X( I8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
- G) g( q6 y- V4 ~8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
! H% B D% z9 X m% c3 U2 {5 |8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff6 [7 Z! V$ F6 H2 X& i2 [
8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
6 O6 J4 L# O& x8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
+ `: z+ c+ V! c+ t* S8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff1 a6 U1 l' N/ t
8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff! x& d5 Z' `: T# {0 {0 s4 M7 w
8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
# r1 D& s. v% D1 X) K" C8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff
7 D& X/ r' \$ u1 b- q0 |; E: {7 I/ r9 C4 x, t7 ~
) l6 q( R+ S- e
vBucket:
( G; ]& b, p1 K$ c7 \8 ]8006ae30 02 02 02 03 03 03 03
9 T, a: _% t0 k& C3 a7 ^/ v* G5 L3 N; d7 `& 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。
$ P' y9 _) P9 F, k2 _* y6 r2 S, q6 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。$ @; j% G' i) c( Q1 h1 e7 m! N
) e! j& \4 s9 j1 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。& p' ]$ F$ ~; n/ H7 v: d, E
# X W) X7 l* O+ H
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