ARM+Linux中斷系統(tǒng)詳細(xì)分析

Linux中斷系統(tǒng)到底是否支持優(yōu)先級(jí)，可否嵌套，中斷號(hào)又是怎么來(lái)確定的，中斷產(chǎn)生時(shí)又是如何一步步執(zhí)行到中斷處理函數(shù)的。為了徹底搞懂Linux中斷系統(tǒng)，我決定從最原始材料出發(fā)，一探究竟。（s3c2440+linux2.6.21）

先來(lái)看看ARM的硬件執(zhí)行流程

異常是ARM處理器模式分類，ARM有七種運(yùn)行模式USR,SYS,SVC,IRQ,FIQ,UND,ABT

五種異常模式：SVC,IRQ,FIQ,UND,ABT

中斷模式是ARM異常模式之一（IRQ模式，F(xiàn)IQ模式），是一種異步事件，如外部按鍵產(chǎn)生中斷，內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生中斷，通信數(shù)據(jù)口數(shù)據(jù)收發(fā)產(chǎn)生中斷等。

1.當(dāng)一個(gè)異常產(chǎn)生時(shí)，以FIQ為例，CPU切入FIQ模式時(shí)，

①將原來(lái)執(zhí)行程序的下一條指令地址保存到LR中，就是將R14保存到R14_fiq里面。

②拷貝CPSR到SPSR_fiq。

③改變CPSR模式位的值，改到FIQ模式。

④改變PC值，將其指向相應(yīng)的異常處理向量表。

離開(kāi)異常處理的時(shí)候，

①將LR（R14_fiq）賦給PC。

②將SPSR（SPSR_fiq）拷貝到CPSR。

③清除中斷禁止標(biāo)志（如果開(kāi)始時(shí)置位了）。

ARM一般在某個(gè)固定地址中有一個(gè)異常向量表，比如0x0

當(dāng)一個(gè)外部IRQ中斷產(chǎn)生時(shí)

①處理器切換到IRQ模式

②PC跳到0x18處運(yùn)行，因?yàn)檫@是IRQ的中斷入口。

③通過(guò)0x18：LDR PC, IRQ_ADDR，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。這個(gè)中斷服務(wù)程序就要確定中斷源，每個(gè)中斷源會(huì)有自己獨(dú)立的中斷服務(wù)程序。

④得到中斷源，然后執(zhí)行相應(yīng)中斷服務(wù)程序

⑤清除中斷標(biāo)志，返回

這就是一個(gè)外部中斷完整的執(zhí)行流程了，下面以具體寄存器來(lái)更具體的了解ARM的中斷機(jī)制。

假設(shè)ARM核有兩個(gè)中斷引腳，一根是irq pin,一根是fiq pin，正常情況下，ARM核只是機(jī)械地隨著PC指示去執(zhí)行，當(dāng)CPSR中的I位和F位都為1時(shí)，IRQ和FIQ都處于禁止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)候無(wú)論發(fā)什么信號(hào)，ARM都不會(huì)理睬。

當(dāng)I位或F位為0時(shí)，irq pin有中斷信號(hào)過(guò)來(lái)時(shí)，ARM當(dāng)前工作就會(huì)被打斷，切換到IRQ模式，并且跳轉(zhuǎn)到異常向量表的中斷入口0x18，SRCPND中相應(yīng)位置1，經(jīng)過(guò)檢查中斷優(yōu)先級(jí)寄存器以及屏蔽寄存器，確定中斷源，INTPND相應(yīng)位置1(經(jīng)過(guò)仲裁，只有一位置1)，這過(guò)程由ARM自動(dòng)完成。0x18存放的是總的中斷處理函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)里，可以建立一個(gè)二級(jí)中斷向量表,先清除SRCPND相應(yīng)位，然后根據(jù)中斷源執(zhí)行相應(yīng)中斷服務(wù)程序，清除INTPND，返回。

及時(shí)清除中斷Pending寄存器的標(biāo)志位是為了避免兩個(gè)問(wèn)題：①發(fā)生中斷返回后，立即又被中斷，不斷的重復(fù)響應(yīng)②丟失中斷處理過(guò)程中發(fā)生的中斷，返回后不響應(yīng)。

在某個(gè)IRQ中斷程序執(zhí)行過(guò)程中，有另外一個(gè)外部IRQ中斷產(chǎn)生，會(huì)將SRCPND相應(yīng)位置1，等該中斷服務(wù)執(zhí)行完，經(jīng)過(guò)仲裁決定下一個(gè)要響應(yīng)的中斷。但是假如當(dāng)產(chǎn)生的是FIQ,則保存當(dāng)前IRQ的現(xiàn)場(chǎng)，嵌套響應(yīng)FIQ，F(xiàn)IQ服務(wù)程序執(zhí)行完，再繼續(xù)執(zhí)行IRQ服務(wù)。那么當(dāng)一個(gè)FIQ正在服務(wù)，產(chǎn)生另外一個(gè)FIQ，會(huì)怎樣呢，答案是不會(huì)被打斷，跟IRQ一樣等當(dāng)前中斷服務(wù)完成，再仲裁剩余需要相應(yīng)的中斷。

所以得出這樣的結(jié)論：

①關(guān)于中斷嵌套：IRQ模式只能被FIQ模式打斷，F(xiàn)IQ模式下誰(shuí)也打不斷。

②關(guān)于優(yōu)先級(jí)：ARM核對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)，有明確的可編程管理。

下面再來(lái)看看Linux對(duì)ARM是怎么處理的，記住一個(gè)前提：Linux對(duì)ARM的硬件特性可以取舍，但不可更改。

1.建立異常向量表：

系統(tǒng)從arch/arm/kernel/head.S的ENTRY(stext)開(kāi)始執(zhí)行，__lookup_processor_type檢查處理器ID，__lookup_machine_type檢查機(jī)器ID，__create_page_tables創(chuàng)建頁(yè)表，啟動(dòng)MMU，然后由arch/arm/kernel/head_common.S跳到start_kernel()->trap_init()

CONFIG_VECTORS_BASE在autoconf.h定義，在ARMV4及V4T以后的大部分處理器中，中斷向量表的位置可以有兩個(gè)位置：一個(gè)是0，另一個(gè)是0xffff0000?？梢酝ㄟ^(guò)CP15協(xié)處理器c1寄存器中V位(bit[13])控制。V和中斷向量表的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
V=0～0x00000000~0x0000001C
V=1～0xffff0000~0xffff001C

__vectors_end至__vectors_start之間為異常向量表，位于arch/arm/kernel/entry-armv.S

stubs_offset值如下：
.equstubs_offset,__vectors_start+0x200-__stubs_start
stubs_offset是如何確定的呢？（引用網(wǎng)絡(luò)上的一段比較詳細(xì)的解釋）
當(dāng)匯編器看到B指令后會(huì)把要跳轉(zhuǎn)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)化為相對(duì)于當(dāng)前PC的偏移量（±32M）寫(xiě)入指令碼。從上面的代碼可以看到中斷向量表和stubs都發(fā)生了代碼搬移，所以如果中斷向量表中仍然寫(xiě)成bvector_irq，那么實(shí)際執(zhí)行的時(shí)候就無(wú)法跳轉(zhuǎn)到搬移后的vector_irq處，因?yàn)橹噶畲a里寫(xiě)的是原來(lái)的偏移量，所以需要把指令碼中的偏移量寫(xiě)成搬移后的。我們把搬移前的中斷向量表中的irq入口地址記irq_PC,它在中斷向量表的偏移量就是irq_PC-vectors_start,vector_irq在stubs中的偏移量是vector_irq-stubs_start，這兩個(gè)偏移量在搬移前后是不變的。搬移后vectors_start在0xffff0000處，而stubs_start在0xffff0200處，所以搬移后的vector_irq相對(duì)于中斷向量中的中斷入口地址的偏移量就是，200+vector_irq在stubs中的偏移量再減去中斷入口在向量表中的偏移量，即200+vector_irq-stubs_start-irq_PC+vectors_start=(vector_irq-irq_PC)+vectors_start+200-stubs_start,對(duì)于括號(hào)內(nèi)的值實(shí)際上就是中斷向量表中寫(xiě)的vector_irq，減去irq_PC是由匯編器完成的，而后面的vectors_start+200-stubs_start就應(yīng)該是stubs_offset，實(shí)際上在entry-armv.S中也是這樣定義的。

2.中斷響應(yīng)

當(dāng)有外部中斷產(chǎn)生時(shí)，跳轉(zhuǎn)到異常向量表的“bvector_irq + stubs_offset //普通中斷異常”

進(jìn)入異常處理函數(shù)，跳轉(zhuǎn)的入口位置archarmkernelentry-armv.S代碼簡(jiǎn)略如下

vector_stub是個(gè)函數(shù)調(diào)用宏，根據(jù)中斷前的工作模式?jīng)Q定進(jìn)入__irq_usr,__irq_svc。這里入__irq_svc，同時(shí)看到這里FIQ產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)未做任何處理，直接返回，即Linux沒(méi)有提供對(duì)FIQ的支持，繼續(xù)跟進(jìn)代碼

svc_entry是一個(gè)宏，主要實(shí)現(xiàn)了將SVC模式下的寄存器、中斷返回地址保存到堆棧中。然后進(jìn)入最核心的中斷響應(yīng)函數(shù)irq_handler，irq_handler實(shí)現(xiàn)過(guò)程archarmkernelentry-armv.S

get_irqnr_and_base中斷號(hào)判斷過(guò)程，include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s

asm_do_IRQ實(shí)現(xiàn)過(guò)程，arch/arm/kernel/irq.c

上述asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)使用了asmlinkage標(biāo)識(shí)。那么這個(gè)標(biāo)識(shí)的含義如何理解呢？
該符號(hào)定義在kernel/include/linux/linkage.h中，如下所示：

對(duì)于ARM處理器的，沒(méi)有定義asmlinkage，所以沒(méi)有意義（不要以為參數(shù)是從堆棧傳遞的，對(duì)于ARM平臺(tái)來(lái)說(shuō)還是符合ATPCS過(guò)程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)寄存器傳遞的）。

但對(duì)于X86處理器的中是這樣定義的：

#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((regparm(0)))

表示函數(shù)的參數(shù)傳遞是通過(guò)堆棧完成的。

中斷處理過(guò)程代碼就跟到這了，那么最后一個(gè)問(wèn)題desc->handle_irq(irq, desc);是怎么跟我們注冊(cè)的中斷函數(shù)相關(guān)聯(lián)的呢？再?gòu)闹袛嗄Ｐ妥?cè)入手：

中斷相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：在include/asm/arch/irq.h中定義。

irq_desc［］是一個(gè)指向irq_desc_t結(jié)構(gòu)的數(shù)組，irq_desc_t結(jié)構(gòu)是各個(gè)設(shè)備中斷服務(wù)例程的描述符。Irq_desc_t結(jié)構(gòu)體中的成員action指向該中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的irqaction結(jié)構(gòu)體鏈表。Irqaction結(jié)構(gòu)體定義在include/linux/interrupt.h中，如下：

在注冊(cè)中斷號(hào)為irq的中斷服務(wù)程序時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)注冊(cè)參數(shù)封裝相應(yīng)的irqaction結(jié)構(gòu)體。并把中斷號(hào)為irq的irqaction結(jié)構(gòu)體寫(xiě)入irq_desc [irq]->action。這樣就把設(shè)備的中斷請(qǐng)求號(hào)與該設(shè)備的中斷服務(wù)例程irqaction聯(lián)系在一起了。當(dāng)CPU接收到中斷請(qǐng)求后，就可以根據(jù)中斷號(hào)通過(guò)irq_desc []找到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。

3.中斷共享的處理模型

共享中斷的不同設(shè)備的iqraction結(jié)構(gòu)體都會(huì)添加進(jìn)該中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的irq_desc結(jié)構(gòu)體的action成員所指向的irqaction鏈表內(nèi)。當(dāng)內(nèi)核發(fā)生中斷時(shí)，它會(huì)依次調(diào)用該鏈表內(nèi)所有的handler函數(shù)。因此，若驅(qū)動(dòng)程序需要使用共享中斷機(jī)制，其中斷處理函數(shù)必須有能力識(shí)別是否是自己的硬件產(chǎn)生了中斷。通常是通過(guò)讀取該硬件設(shè)備提供的中斷flag標(biāo)志位進(jìn)行判斷。也就是說(shuō)不是任何設(shè)備都可以做為中斷共享源的，它必須能夠通過(guò)的它的中斷flag判斷出是否發(fā)生了中斷。
中斷共享的注冊(cè)方法是：

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,IRQF_SHARED, const char *devname, void *dev_id)

很多權(quán)威資料中都提到，中斷共享注冊(cè)時(shí)的注冊(cè)函數(shù)中的dev_id參數(shù)是必不可少的，并且dev_id的值必須唯一。那么這里提供唯一的dev_id值的究竟是做什么用的？

根據(jù)我們前面中斷模型的知識(shí)，可以看出發(fā)生中斷時(shí)，內(nèi)核并不判斷究竟是共享中斷線上的哪個(gè)設(shè)備產(chǎn)生了中斷，它會(huì)循環(huán)執(zhí)行所有該中斷線上注冊(cè)的中斷處理函數(shù)（即irqaction->handler函數(shù)）。因此irqaction->handler函數(shù)有責(zé)任識(shí)別出是否是自己的硬件設(shè)備產(chǎn)生了中斷，然后再執(zhí)行該中斷處理函數(shù)。通常是通過(guò)讀取該硬件設(shè)備提供的中斷flag標(biāo)志位進(jìn)行判斷。那既然kernel循環(huán)執(zhí)行該中斷線上注冊(cè)的所有irqaction->handler函數(shù)，把識(shí)別究竟是哪個(gè)硬件設(shè)備產(chǎn)生了中斷這件事交給中斷處理函數(shù)本身去做，那request_irq的dev_id參數(shù)究竟是做什么用的？

很多資料中都建議將設(shè)備結(jié)構(gòu)指針作為dev_id參數(shù)。在中斷到來(lái)時(shí)，迅速地根據(jù)硬件寄存器中的信息比照傳入的dev_id參數(shù)判斷是否是本設(shè)備的中斷，若不是，應(yīng)迅速返回。這樣的說(shuō)法沒(méi)有問(wèn)題，也是我們編程時(shí)都遵循的方法。但事實(shí)上并不能夠說(shuō)明為什么中斷共享必須要設(shè)置dev_id。

下面解釋一下dev_id參數(shù)為什么必須的，而且是必須唯一的。

當(dāng)調(diào)用free_irq注銷中斷處理函數(shù)時(shí)（通常卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)其中斷處理函數(shù)也會(huì)被注銷掉），因?yàn)閐ev_id是唯一的，所以可以通過(guò)它來(lái)判斷從共享中斷線上的多個(gè)中斷處理程序中刪除指定的一個(gè)。如果沒(méi)有這個(gè)參數(shù)，那么kernel不可能知道給定的中斷線上到底要?jiǎng)h除哪一個(gè)處理程序。

注銷函數(shù)定義在Kernel/irq/manage.c中定義：
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)

4.S3C2410子中斷的注冊(cè)的實(shí)現(xiàn)

前面判斷中斷號(hào)的方法，可以看到只是通過(guò)S3C2410中斷控制器中的INTOFFSET寄存器來(lái)判斷的。對(duì)于INTPND中的EINT4_7、EINT8_23、INT_UART0、INT_ADC等帶有子中斷的向量，INTOFFSET無(wú)法判斷出具體的中斷號(hào)。平臺(tái)留給我們的注冊(cè)方法如下：

在include/asm/arch/irqs.h中有類似如下定義：

可以看到平臺(tái)為每種子中斷都定義了中斷號(hào)，如果你想實(shí)現(xiàn)EINT10的中斷注冊(cè)，直接按照IRQ_EINT10這個(gè)中斷號(hào)注冊(cè)都可以了。那么平臺(tái)代碼是如何實(shí)現(xiàn)這部分中斷注冊(cè)的呢？

5.S3C2410子中斷注冊(cè)問(wèn)題的解決

平臺(tái)在初始化時(shí)會(huì)調(diào)用到s3c24xx_init_irq，在此函數(shù)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)EINT4_7、EINT8_23、INT_UART0、INT_ADC等中斷的注冊(cè)。下面看看這些帶有子中斷的中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)的內(nèi)容。以IRQ_EINT4t7為例，其它情況類似。

從上面的函數(shù)可以看出子中斷是如何注冊(cè)及被調(diào)用到的。有人可能會(huì)問(wèn)為何不在include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s文件中g(shù)et_irqnr_and_base函數(shù)判斷中斷號(hào)時(shí)，直接算出對(duì)應(yīng)的子中斷號(hào)，就可以直接找到子中斷處理了呢？

原因是: get_irqnr_and_base是平臺(tái)給系統(tǒng)提供的函數(shù)，對(duì)于多個(gè)子中斷同時(shí)置位的情況無(wú)法通過(guò)一個(gè)值返回（因?yàn)樽又袛嘀?，如eintpnd是可以多個(gè)位同時(shí)置位的））。而intpnd則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。

至此,對(duì)于s3c2440/10+linux2.6得出以下結(jié)論:

①不支持中斷嵌套(因?yàn)镕IQ不支持)

②有明確中斷優(yōu)先級(jí)(可編程)

③中斷號(hào)是根據(jù)硬件特性固定的，riq號(hào)通過(guò)某種轉(zhuǎn)換得到與寄存器相應(yīng)位，一般在irqs.h文件定義

中斷的用法見(jiàn)Ldd3的筆記：http://blog.chinaunix.net/uid-24708340-id-3035617.html