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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: p$ r, s, |) |% h K% ~( Y" E( c
. Y, C0 Y! T1 e% x5 _ i' O
从IRQ到IRQL(APIC版)
5 f8 ?% h8 }2 w5 z2 t `
- @& J4 h$ D' z5 n作者：SoBeIt
" n; w/ S/ c3 r! N出处：https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act=ST&f=2&t=45502
9 n( n' n- B) T: Y日期：2005-02-04. C4 u4 ?8 g0 X0 u" r
' ~* o8 X; l# T% p- X; V0 G& q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。
& Z: Z0 `2 q2 ^. M& X w; W/ _& D; u8 L
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 V* i1 X2 r& _% k* Z% D: o1 b
0 A/ ^3 s( M) S* u0 z. E 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。
3 i2 M6 h4 D \8 x. T+ S5 j& b" l
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：
3 P% t. q' r5 L" C( L/ }1 |: V S$ j. t/ p+ A2 n8 A9 ]+ q- {
#define ZERO_VECTOR 0x00 // IRQL 00 4 A( L6 T- q& c
#define APC_VECTOR 0x3D // IRQL 016 v, y, \6 P2 ?2 n7 Z( z
#define DPC_VECTOR 0x41 // IRQL 02 f+ u, o. z9 s6 H9 K# T$ [
#define APIC_GENERIC_VECTOR 0xC1 // IRQL 27/ P+ R+ x2 }/ c9 U, ?- z
#define APIC_CLOCK_VECTOR 0xD1 // IRQL 28+ y4 z) U8 Z6 F& b& C
#define APIC_SYNCH_VECTOR 0xD1 // IRQL 28
! G4 V& W% B: x0 t3 M/ s" I#define APIC_IPI_VECTOR 0xE1 // IRQL 29
% Y/ o- {; H9 Y0 u* ~#define POWERFAIL_VECTOR 0xEF // IRQL 30
* _ X5 n! j( N& V8 m0 J9 W#define APIC_PROFILE_VECTOR 0xFD // IRQL 31: M1 @% K& v5 w6 I1 W
6 P6 u" F- g. G5 G1 |" S( Y* t
2 Q! y# L$ _& [. r; J( ], w现在看一下一些重要的数据：$ |: Q/ y) Y9 q% p5 c
$ j0 E6 \1 Y/ X9 T O2 d' U9 J
这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:! |" e0 l3 s0 z6 J4 J5 B
$ S9 T2 K6 r# gRedirect Table Index: 0x17! g& I3 l+ }$ T$ N: b& M
Redirect Table[ 0]: ff- s4 I1 F% [8 I! t
Redirect Table[ 1]: b3 G/ ^+ Z2 q' T- i0 H t% w
Redirect Table[ 2]: ff
/ M$ h* u/ Z) x2 _ ~* w" ]7 \5 ORedirect Table[ 3]: 51' O0 X/ i4 I, c" K, p
Redirect Table[ 4]: ff" \# Y; M z0 [3 g& y# N
Redirect Table[ 5]: ff
^* K4 `2 F, ?& SRedirect Table[ 6]: 62
' A& X/ Y2 L/ XRedirect Table[ 7]: ff1 i% {9 L3 t. Y$ ^# W8 h3 N, i
Redirect Table[ 8]: d1
) s3 @6 M# _2 J) A6 ]; VRedirect Table[ 9]: b1
. a( `# I2 x" _% @& }Redirect Table[ a]: ff; W8 Q2 }8 _3 D# ]) m2 S
Redirect Table[ b]: ff
: p$ q& F! n5 q" E$ i# s YRedirect Table[ c]: 52( g- t& H. r* X
Redirect Table[ d]: ff
, M' x# w X- \3 LRedirect Table[ e]: ff
; r1 b! A8 S3 K t" t: d1 WRedirect Table[ f]: 92$ T3 J2 f5 r& P: N+ ?6 F* v
Redirect Table[10]: ff- U2 o5 m4 b) s5 b! m
Redirect Table[11]: a3
: l2 u4 i( Q D2 _' dRedirect Table[12]: 83
5 v3 s( ]3 x5 r3 i1 G0 p8 wRedirect Table[13]: 93( d$ H/ h$ c ]" U- I) u; y
Redirect Table[14]: ff @, _. O7 @, ^5 f" v9 z" h
Redirect Table[15]: ff9 d5 X* l0 {3 X+ i: b
Redirect Table[16]: ff0 }$ |' B D9 x% g7 R
Redirect Table[17]: ff
7 ~( e$ ` N! W) z e2 M7 ~0 c- `" ]5 G
这是IDT表中被注册的向量:
/ G# V0 M3 W, ]- x9 S+ M$ R2 v i. R- g/ w
1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService); q* ^3 C8 O* f5 Y: {$ j; L
37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37); L& k# O/ ^/ n& u5 n: G
3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)+ x/ c' ~' d( u3 g! G. O1 A5 `1 d% T
41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)
- g# h) n% o0 k& C50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)- {" T2 p; E2 w& v
51: 817f59e4
# V# `/ J4 s# h: ` n9 i# N1 o(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))
3 t' L& h; K/ e3 k* j, A52: 817f5044 # s! g7 c- ~5 s
(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))
) E& I3 _$ X3 g# T; I5 |83: 817d2d44
]( n7 {2 i4 l! R" _$ H7 ~(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))
" k+ E4 e7 Z4 R! _9 Z92: 81821384 7 j1 q* B( B9 d0 ~% l
(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be)) X! u0 L4 y0 J
93: 8185ed64
$ x9 P) g( p x(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))
; A9 x. G" C# f" z0 X. Fa3: 8186cdc4
: K% b2 M- l4 h4 Q(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))
9 _1 G$ C7 S$ T5 l: Eb1: 818902e4 8 }& d3 t2 `) C) B7 B: S0 P' Z1 g
(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))6 F' v2 H$ q0 \ f
b3: 81881664 # a. E4 J- X$ Z& T6 j# L( i/ a4 z4 w
(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))
3 S& T8 l: A+ ]2 Rc1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)! L9 @' ] v' n$ r1 Q& P! @
d1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt): ?; y) E, H8 a$ p
e1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)0 y& z. s" E% ?5 i8 {
e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)
. p0 G4 W @- S; R/ dfd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)
9 u) E; }8 ]: E8 @fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)0 T& t) U# X: P
6 x% ~& x$ `1 i w0 r* Z* [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. G1 S# p% s. e+ j
6 D" h3 v/ }+ [3 _这是几个重要的数组:% U! q9 \ F4 P7 M9 Q# ^2 ~
L" z: E1 ?# K/ Z1 a5 W5 K3 NHalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):2 a6 }% J) G9 W
8006a304 00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e, z5 z' J E& E1 Q4 E/ I: z2 X! h
" f/ D" J4 {# OHalpIRQLtoTPR:
! g: D2 k& x* j" b% K2 d- [$ \1 o8006a1e4 00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1* f! K/ s" f0 X) q) E9 T! W% k' c
8006a1f4 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff
$ t j- ~4 |! m9 p" ?: y% j* Q6 I2 y/ r. r L( P
HalpINTItoVector:$ f! N/ _" ~8 ?1 _ Q
8006ada0 00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92, s, }* h: x8 U& K- f1 R/ Z
8006adb0 00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00* }3 |3 H( S' E. v
/ V9 Y K* K6 [5 @. e2 s/ e
HalVectorToINTI:8 q( I" C0 R. ]3 z- x
8006a204 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff$ \ A; Z- t- X5 g: _* Y
8006a214 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff" ^/ I9 f3 P/ S* `: b
8006a224 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
% t" w: u `9 h- E8006a234 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff6 C7 S& @1 N9 P! Y$ ~4 D, U
8006a244 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff. }1 P7 t: c& \; d1 l
8006a254 ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff8 }: B3 m" A4 d$ I
8006a264 ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
) {2 M7 {1 |* M8006a274 ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
0 h3 ~& X4 ^$ u6 R8 s' y$ i8006a284 ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff- c! j7 H4 V$ \1 \0 x
8006a294 ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff$ H3 u% G' ]7 y% x' c
8006a2a4 ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
2 o) C( `1 E' d8006a2b4 ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff2 v7 N5 F- @# K0 O" h0 `$ Q0 `
8006a2c4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
E2 l7 T8 b: } z8006a2d4 ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff
# S" k' Z5 b9 Z/ ~8006a2e4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff3 d6 @, u) }( j9 U0 O
8006a2f4 ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ; g& b4 {% C: _: I, q0 R
. W0 ]- f- N( Q1 w# G# P
0 O# X8 m9 q2 y" Z! U0 YvBucket:. j/ E4 U! {+ Q( @7 B4 B7 ~0 E
8006ae30 02 02 02 03 03 03 037 M8 I- t D" w Z! j
' C& @# q" m) H
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 J: C8 ]& ^1 N3 G. N5 c6 B) J
% T7 ?; J1 o) Q" c
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。
/ H. l" Y" T$ Q/ v$ ?
) J0 \2 g- V& O1 y- x 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。7 `' Z M7 \; [ p; J7 f
B8 f2 n# ?5 V# h1 o# H9 }: L 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