Linux中斷子系統(tǒng)系列之基礎(chǔ)概念篇

時(shí)間：2020-06-10 10:05:51

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[導(dǎo)讀] 對(duì)于驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)而言，中斷機(jī)制是一個(gè)無(wú)法繞開(kāi)的主題，翻看了很多資料書籍，讀來(lái)讀去總覺(jué)得沒(méi)明白，所以嘗試自底向上的分析一下Linux中斷子系統(tǒng)的內(nèi)在設(shè)計(jì)以及運(yùn)行機(jī)制。將陸續(xù)分享相關(guān)的學(xué)習(xí)原創(chuàng)筆記，敬請(qǐng)關(guān)注期待。

代碼分析基于內(nèi)核5.4.31

如有興趣，不妨星標(biāo)一下小號(hào)，這樣后續(xù)筆記將及時(shí)置頂出現(xiàn)在你的面前。

啥是中斷/異常

處理器的典型任務(wù)是處理一系列預(yù)定的程序。為了通知處理器某些事件，有時(shí)需要中斷當(dāng)前正在處理的任務(wù)。中斷可以由程序觸發(fā)，也可以從外設(shè)異步觸發(fā)。如果發(fā)生中斷請(qǐng)求IRQ，則處理器將執(zhí)行預(yù)定的中斷服務(wù)程序ISR。CPU需要能處理軟件錯(cuò)誤，例如除零或顯式中斷調(diào)用（例如syscalls）。硬件中斷由中斷控制器路由到指定的處理器（如x86系統(tǒng)的IO-APIC）。

操作系統(tǒng)的總體運(yùn)行機(jī)制屬于事件驅(qū)動(dòng)(event-driven)機(jī)制。

中斷：

由外部硬件生成的異步事件。
中斷控制器芯片將每個(gè)IRQ輸入映射到一個(gè)中斷向量，該中斷向量定位相應(yīng)的中斷服務(wù)程序

一個(gè) IRQ 是來(lái)自某個(gè)設(shè)備的一個(gè)中斷請(qǐng)求?？赡艿闹袛嗾?qǐng)求源：來(lái)自一個(gè)硬件引腳，或來(lái)自一個(gè)數(shù)據(jù)包。多個(gè)設(shè)備可能連接到同一個(gè)硬件引腳，從而共享一個(gè) IRQ。抽象成中斷請(qǐng)求事件，有哪些可能的事件呢：

GPIO 中斷請(qǐng)求,包括邊沿、電平模式
外設(shè) I2C的start/stop事件
USB枚舉，報(bào)文
網(wǎng)口......

異常(陷阱)：由軟件生成的同步事件，比如前面提到的除零，頁(yè)錯(cuò)誤

ARM32/ARM64硬件架構(gòu)對(duì)比

ARM32

這里以ARMv7 為例進(jìn)行描述，對(duì)于ARM32而言，CPU具有9大處理模式：

其中encoding是指的CPSR程序狀態(tài)寄存器中的M[4:0]，對(duì)于ARMv7而言，權(quán)限等級(jí)如下：

PL0-適用于用戶應(yīng)用程序供應(yīng)商，例如從App Store下載的應(yīng)用程序。
PL1-豐富的OS供應(yīng)商，例如Android使用的Linux內(nèi)核。
PL2-虛擬機(jī)監(jiān)控程序供應(yīng)商。
(Secure PL0)安全PL0-受信任的OS供應(yīng)商提供的受信任的OS應(yīng)用程序。
(Secure PL1)安全PL1-受信任的操作系統(tǒng)。
(Secure PL)安全PL1-提供安全固件的OEM。

ARMv7采用通用中斷控制器GIC V2進(jìn)行中斷分發(fā)控制。

AArch64

自《Programmer’s Guide for ARMv8-A》,armv8 引入64位ARM架構(gòu)，向后兼容。

Cortex-A53處理器是一個(gè)中檔、低功耗處理器，在單個(gè)集群中有一個(gè)到四個(gè)核，每個(gè)核都有一個(gè)L1緩存子系統(tǒng)、一個(gè)可選的集成GICv3/4（通用中斷控制器Generic Interrupt Controller）接口和一個(gè)可選的L2緩存控制器。
Cortex-A57處理器針對(duì)移動(dòng)和企業(yè)計(jì)算應(yīng)用，包括計(jì)算密集型64位應(yīng)用，如高端計(jì)算機(jī)、平板電腦和服務(wù)器產(chǎn)品。它可以與Cortex-A53處理器一起采用 big.LITTLE技術(shù)（有的也稱為異步多核架構(gòu)）成為一個(gè)處理器。

ARMv8-A體系結(jié)構(gòu)引入了許多更改，這些更改使得可以設(shè)計(jì)性能明顯更高的處理器實(shí)現(xiàn)：

更大的物理地址尋址能力：處理器可以訪問(wèn)超過(guò)4GB的物理內(nèi)存。
64位虛擬尋址：這樣可以使虛擬內(nèi)存超過(guò)4GB的限制。這對(duì)于使用內(nèi)存映射文件I / O或稀疏尋址的現(xiàn)代臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器軟件很重要。
自動(dòng)事件信號(hào)：利于實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能的自旋鎖。
更大寄存器文件：31個(gè)64位通用寄存器可提高性能并減少棧開(kāi)銷。
高效的64位立即數(shù)生成：較少對(duì)文字池的依賴。
更大的PC指針相對(duì)尋址空間：+/- 4GB尋址范圍，可在共享庫(kù)和與位置無(wú)關(guān)的可執(zhí)行文件中進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)尋址。
額外的16KB和64KB翻譯顆粒：這樣可以減少轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)（TLB）的丟失率和頁(yè)面遍歷的深度。
新的異常模型: 降低了操作系統(tǒng)和管理程序軟件的復(fù)雜性。
高效的緩存管理: 用戶空間緩存操作提高了動(dòng)態(tài)代碼生成效率。使用數(shù)據(jù)高速緩存零指令快速清除數(shù)據(jù)高速緩存。
硬件加速密碼器：提高3倍至10倍較好的軟件加密性能。這對(duì)于小顆粒的解密和太小而無(wú)法有效地卸載到硬件加速器上的加密非常有用，例如https。
Load-Acquire, Store-Release指令：針對(duì)C++11，C11，Java內(nèi)存模型而設(shè)計(jì)。它們通過(guò)消除顯式的內(nèi)存屏障指令來(lái)提高線程安全代碼的性能。
NEON雙精度浮點(diǎn)高級(jí)SIMD：這使SIMD矢量化可以應(yīng)用于更廣泛的算法集，例如科學(xué)計(jì)算，高性能計(jì)算（HPC）和超級(jí)計(jì)算機(jī)。

上面談到了新的異常模型，這里來(lái)看一下具體是指什么：

在ARMv8中，程序運(yùn)行總是處于四個(gè)異常級(jí)別之一。在AArch64中，異常級(jí)別確定特權(quán)級(jí)別，類似于ARMv7中定義的特權(quán)級(jí)別。異常級(jí)別確定特權(quán)級(jí)別，因此在ELn程序?qū)?yīng)于特權(quán)PLn。類似地，n值大于另一個(gè)值的異常級(jí)別處于較高的異常級(jí)別。數(shù)量比另一個(gè)少的異常級(jí)別被描述為處于較低的異常級(jí)別。

異常級(jí)別提供了適用于ARMv8架構(gòu)所有運(yùn)行狀態(tài)的軟件執(zhí)行特權(quán)的邏輯隔離。它類似于計(jì)算機(jī)科學(xué)中常見(jiàn)的分層保護(hù)域概念。

EL0：普通用戶應(yīng)用程序。
EL1：操作系統(tǒng)內(nèi)核通常描述為特權(quán)。
EL2：管理程序(Hypervisor)。
EL3：底層固件，包括安全監(jiān)視器。

通常，一個(gè)軟件（例如應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)的內(nèi)核或系統(tǒng)管理程序）占據(jù)一個(gè)異常級(jí)別。該規(guī)則的一個(gè)例外是內(nèi)核內(nèi)虛擬機(jī)管理程序，例如KVM，它們?cè)贓L2和EL1上都可運(yùn)行。

可運(yùn)行在AArch32以及AArch64模式下：

由圖可見(jiàn)：在AArch32模式下，EL0相對(duì)于usr 模式，而EL1則相當(dāng)于Svc、Abt、Und、FIQ、IRQ、Sys模式，而EL2則相當(dāng)于Hyp模式。

ARMv8-A提供兩種安全狀態(tài)，即安全和非安全。非安全狀態(tài)也稱為正常模式(normal world)。這使操作系統(tǒng)（OS）與受信任的OS在同一硬件上并行運(yùn)行，并提供了針對(duì)某些軟件攻擊和硬件攻擊的保護(hù)。ARM TrustZone技術(shù)使系統(tǒng)可以在普通和安全環(huán)境之間進(jìn)行分區(qū)。與ARMv7-A架構(gòu)一樣，安全監(jiān)視器充當(dāng)在普通和安全環(huán)境之間移動(dòng)的網(wǎng)關(guān)。

ARMv8-A 在正常模式下還提供了對(duì)虛擬化的支持。從而虛擬機(jī)監(jiān)控程序或虛擬機(jī)管理器(VMM)代碼可以在系統(tǒng)上運(yùn)行，并承載多個(gè)客戶操作系統(tǒng)。每個(gè)客戶操作系統(tǒng)本質(zhì)上都運(yùn)行在一個(gè)虛擬機(jī)上。每個(gè)操作系統(tǒng)就不會(huì)意識(shí)到它正在與其他客戶操作系統(tǒng)共享CPU。

ARMv8-A采用通用中斷控制器GIC V3進(jìn)行中斷分發(fā)控制。

在AArch64中，異常可以是（synchronous exception）同步的，也可以是（ asynchronous exception）異步的。

同步異常：如果異常是在執(zhí)行或試圖執(zhí)行指令流時(shí)產(chǎn)生，并且返回地址提供導(dǎo)致該異常指令的詳細(xì)信息，則將其描述為同步異常。

異步異常：異步異常不是由執(zhí)行指令生成的，而返回地址可能并不總是提供導(dǎo)致異常的細(xì)節(jié)。異步異常的來(lái)源是IRQ(正常優(yōu)先級(jí)中斷)，F(xiàn)IQ(快速中斷)或SError(系統(tǒng)錯(cuò)誤)。系統(tǒng)錯(cuò)誤有許多可能的原因，最常見(jiàn)的是異步數(shù)據(jù)中止(例如，由將臟數(shù)據(jù)從緩存線寫到外部?jī)?nèi)存而觸發(fā)的中止)。

啥是GIC？

GIC是一種先進(jìn)的微控制器總線架構(gòu)(AMBA)和ARM架構(gòu)兼容的系統(tǒng)片上(SoC)外設(shè)。它是一種高性能的、區(qū)域優(yōu)化的中斷控制器，具有芯片上的AMBA總線接口，根據(jù)配置，它符合AMBA高級(jí)可擴(kuò)展接口(AXI)協(xié)議或AMBA AHB-Lite協(xié)議。

這里僅僅參考ARM官方文檔將其中一部分從概念上加以介紹，過(guò)多細(xì)節(jié)比較枯燥就不做介紹了，個(gè)人認(rèn)為僅需要從概念上去理解一下大致原理即可，沒(méi)有必要去進(jìn)行更深層的挖掘。除非你需要去修改這一層次的代碼。

具體一點(diǎn)來(lái)看，GIC的總體框架如下：

處理單元Processing element (PE)，也即是核
中斷翻譯服務(wù)組件Interrupt Translation Service components (ITS)
中斷路由基礎(chǔ)設(shè)施Interrupt Routing Infrastructure (IRI)

比如一個(gè)SPI的中斷分發(fā)路由機(jī)制如下：

分發(fā)器 Distributor：分發(fā)服務(wù)器執(zhí)行中斷優(yōu)先級(jí)排序，并將spi和SGIs分發(fā)到連接到系統(tǒng)中PEs，從而進(jìn)入CPU處理。如果我們將這些都看成黑盒子，可以簡(jiǎn)化理解一下：

對(duì)于GICv2與GICv3的主要顯著區(qū)別是GICv3可以支持更多核，GICv3可支持超過(guò)8核的處理器。

異常/中斷來(lái)了咋辦？

對(duì)于ARM處理器而言，異常/中斷到來(lái)后，處理器對(duì)應(yīng)進(jìn)入不同的處理器模式(FIQ/IRQ/UND/ABT).
對(duì)于ARM64處理器而言，因?yàn)樘幚砥饕呀?jīng)沒(méi)有處理器模式機(jī)制了，因此對(duì)應(yīng)變成進(jìn)入何種異常級(jí)別(exception level)。處理器復(fù)位時(shí)默認(rèn)進(jìn)入最高級(jí)別的exception level，例如如果處理器最高支持的EL是EL2，復(fù)位后系統(tǒng)將處于EL2。對(duì)于那些正常通過(guò)system call產(chǎn)生的異常，處理器會(huì)切換到哪一個(gè)exception level這個(gè)問(wèn)題也很好回答，SVC、HVC和SMC將進(jìn)入處理器設(shè)定的異常級(jí)別。

然而對(duì)于異常/中斷的處理，說(shuō)到底還是需要進(jìn)入相應(yīng)的異常/中斷句柄(process handler)進(jìn)行處理，那么怎么進(jìn)入的呢？這里自然就引入了異常向量表了，這里來(lái)看看異常向量表在哪里實(shí)現(xiàn)的。這里個(gè)人認(rèn)為理解一下大致概念也就可以了。

ARM

對(duì)于ARMv7而言，位于./arch/arm/kernel/entry-v7m.s

ENTRY(vector_table)
 .long 0   @ 0 - Reset stack pointer
 .long __invalid_entry  @ 1 - Reset
 .long __invalid_entry  @ 2 - NMI
 .long __invalid_entry  @ 3 - HardFault
 .long __invalid_entry  @ 4 - MemManage
 .long __invalid_entry  @ 5 - BusFault
 .long __invalid_entry  @ 6 - UsageFault
 .long __invalid_entry  @ 7 - Reserved
 .long __invalid_entry  @ 8 - Reserved
 .long __invalid_entry  @ 9 - Reserved
 .long __invalid_entry  @ 10 - Reserved
 .long vector_swi  @ 11 - SVCall
 .long __invalid_entry  @ 12 - Debug Monitor
 .long __invalid_entry  @ 13 - Reserved
 .long __pendsv_entry  @ 14 - PendSV
 .long __invalid_entry  @ 15 - SysTick
 .rept CONFIG_CPU_V7M_NUM_IRQ
 .long __irq_entry  @ External Interrupts
 .endr
 .align 2
 .globl exc_ret
exc_ret:
 .space 4

對(duì)于其他的ARM架構(gòu)而言，位于./arch/arm/kernel/entry-armv.S，貼上部分代碼

 *
 * Interrupt dispatcher
 */
 vector_stub irq, IRQ_MODE, 4

 .long __irq_usr   @  0  (USR_26 / USR_32)
 .long __irq_invalid   @  1  (FIQ_26 / FIQ_32)
 .long __irq_invalid   @  2  (IRQ_26 / IRQ_32)
 .long __irq_svc   @  3  (SVC_26 / SVC_32)
 .long __irq_invalid   @  4
 .long __irq_invalid   @  5
 .long __irq_invalid   @  6
 .long __irq_invalid   @  7
 .long __irq_invalid   @  8
 .long __irq_invalid   @  9
 .long __irq_invalid   @  a
 .long __irq_invalid   @  b
 .long __irq_invalid   @  c
 .long __irq_invalid   @  d
 .long __irq_invalid   @  e
 .long __irq_invalid   @  f

/*
 * Data abort dispatcher
 * Enter in ABT mode, spsr = USR CPSR, lr = USR PC
 */
 vector_stub dabt, ABT_MODE, 8

 .long __dabt_usr   @  0  (USR_26 / USR_32)
 .long __dabt_invalid   @  1  (FIQ_26 / FIQ_32)
 .long __dabt_invalid   @  2  (IRQ_26 / IRQ_32)
 .long __dabt_svc   @  3  (SVC_26 / SVC_32)
 .long __dabt_invalid   @  4
 .long __dabt_invalid   @  5
 .long __dabt_invalid   @  6
 .long __dabt_invalid   @  7
 .long __dabt_invalid   @  8
 .long __dabt_invalid   @  9
 .long __dabt_invalid   @  a
 .long __dabt_invalid   @  b
 .long __dabt_invalid   @  c
 .long __dabt_invalid   @  d
 .long __dabt_invalid   @  e
 .long __dabt_invalid   @  f

/*
 * Prefetch abort dispatcher
 * Enter in ABT mode, spsr = USR CPSR, lr = USR PC
 */
 vector_stub pabt, ABT_MODE, 4

 .long __pabt_usr   @  0 (USR_26 / USR_32)
 .long __pabt_invalid   @  1 (FIQ_26 / FIQ_32)
 .long __pabt_invalid   @  2 (IRQ_26 / IRQ_32)
 .long __pabt_svc   @  3 (SVC_26 / SVC_32)
 .long __pabt_invalid   @  4
 .long __pabt_invalid   @  5
 .long __pabt_invalid   @  6
 .long __pabt_invalid   @  7
 .long __pabt_invalid   @  8
 .long __pabt_invalid   @  9
 .long __pabt_invalid   @  a
 .long __pabt_invalid   @  b
 .long __pabt_invalid   @  c
 .long __pabt_invalid   @  d
 .long __pabt_invalid   @  e
 .long __pabt_invalid   @  f

/*
 * Undef instr entry dispatcher
 * Enter in UND mode, spsr = SVC/USR CPSR, lr = SVC/USR PC
 */
 vector_stub und, UND_MODE

 .long __und_usr   @  0 (USR_26 / USR_32)
 .long __und_invalid   @  1 (FIQ_26 / FIQ_32)
 .long __und_invalid   @  2 (IRQ_26 / IRQ_32)
 .long __und_svc   @  3 (SVC_26 / SVC_32)
 .long __und_invalid   @  4
 .long __und_invalid   @  5
 .long __und_invalid   @  6
 .long __und_invalid   @  7
 .long __und_invalid   @  8
 .long __und_invalid   @  9
 .long __und_invalid   @  a
 .long __und_invalid   @  b
 .long __und_invalid   @  c
 .long __und_invalid   @  d
 .long __und_invalid   @  e
 .long __und_invalid   @  f

 .align 5
.....................
/*=============================================================================
 * FIQ "NMI" handler
 *-----------------------------------------------------------------------------
 */
 vector_stub fiq, FIQ_MODE, 4

 .long __fiq_usr   @  0  (USR_26 / USR_32)
 .long __fiq_svc   @  1  (FIQ_26 / FIQ_32)
 .long __fiq_svc   @  2  (IRQ_26 / IRQ_32)
 .long __fiq_svc   @  3  (SVC_26 / SVC_32)
 .long __fiq_svc   @  4
 .long __fiq_svc   @  5
 .long __fiq_svc   @  6
 .long __fiq_abt   @  7
 .long __fiq_svc   @  8
 .long __fiq_svc   @  9
 .long __fiq_svc   @  a
 .long __fiq_svc   @  b
 .long __fiq_svc   @  c
 .long __fiq_svc   @  d
 .long __fiq_svc   @  e
 .long __fiq_svc   @  f

 .globl vector_fiq

 .section .vectors, "ax", %progbits
.L__vectors_start:
 W(b) vector_rst
 W(b) vector_und
 W(ldr) pc, .L__vectors_start + 0x1000
 W(b) vector_pabt
 W(b) vector_dabt
 W(b) vector_addrexcptn
 W(b) vector_irq
 W(b) vector_fiq

 .data
 .align 2

 .globl cr_alignment
cr_alignment:
 .space 4

ARM64

位于./arch/arm64/kernel/entry.S，貼上部分代碼

 .pushsection ".entry.text", "ax"

 .align 11
ENTRY(vectors)
 kernel_ventry 1, sync_invalid   // Synchronous EL1t
 kernel_ventry 1, irq_invalid   // IRQ EL1t
 kernel_ventry 1, fiq_invalid   // FIQ EL1t
 kernel_ventry 1, error_invalid  // Error EL1t

 kernel_ventry 1, sync    // Synchronous EL1h
 kernel_ventry 1, irq    // IRQ EL1h
 kernel_ventry 1, fiq_invalid   // FIQ EL1h
 kernel_ventry 1, error   // Error EL1h

 kernel_ventry 0, sync    // Synchronous 64-bit EL0
 kernel_ventry 0, irq    // IRQ 64-bit EL0
 kernel_ventry 0, fiq_invalid   // FIQ 64-bit EL0
 kernel_ventry 0, error   // Error 64-bit EL0

#ifdef CONFIG_COMPAT
 kernel_ventry 0, sync_compat, 32  // Synchronous 32-bit EL0
 kernel_ventry 0, irq_compat, 32  // IRQ 32-bit EL0
 kernel_ventry 0, fiq_invalid_compat, 32 // FIQ 32-bit EL0
 kernel_ventry 0, error_compat, 32  // Error 32-bit EL0
#else
 kernel_ventry 0, sync_invalid, 32  // Synchronous 32-bit EL0
 kernel_ventry 0, irq_invalid, 32  // IRQ 32-bit EL0
 kernel_ventry 0, fiq_invalid, 32  // FIQ 32-bit EL0
 kernel_ventry 0, error_invalid, 32  // Error 32-bit EL0
#endif
END(vectors)

總結(jié)一下

對(duì)于做嵌入式開(kāi)發(fā)，尤其需要做底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的小伙伴們，較深入的理解一下更為底層異常/中斷運(yùn)行的機(jī)制，對(duì)于具體驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)而言是非常有幫助的。本文參考內(nèi)核代碼，以及ARM官方規(guī)格書大致梳理了Linux中斷子系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念，以及異常/中斷如何進(jìn)入到CPU，以及相應(yīng)的入口在哪里實(shí)現(xiàn)定義的。后續(xù)為逐步深入分析中斷底層如何建模抽象的，采用自底向上的分析策略進(jìn)而分析用戶空間的調(diào)用接口，敬請(qǐng)關(guān)注期待。

本文辛苦原創(chuàng)分享，水平所限，文中估計(jì)也有蠻多錯(cuò)誤，希望看到的同學(xué)幫忙指正，如果覺(jué)得有價(jià)值也請(qǐng)幫忙點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)支持，不勝感激！

—END—

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