linux内核中ARM中断实现详解.doc

linux内核中ARM中断实现详解看了一些网络上关于linux中断实现的文章，感觉有一些写的非常好，在这里首先感谢他们的无私付出，然后也想再补充自己对一些问题的理解。先从函数注册引出问题吧。一、中断注册方法在linux内核中用于申请中断的函数是request_irq（），函数原型在Kernel/irq/manage.c中定义：int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)irq是要申请的硬件中断号。handler是向系统注册的中断处理函数，是一个回调函数，中断发生时，系统调用这个函数，dev_id参数将被传递给它。irqflags是中断处理的属性，若设置了IRQF_DISABLED （老版本中的SA_INTERRUPT，本版zhon已经不支持了），则表示中断处理程序是快速处理程序，快速处理程序被调用时屏蔽所有中断，慢速处理程序不屏蔽；若设置了IRQF_SHARED （老版本中的SA_SHIRQ），则表示多个设备共享中断，若设置了IRQF_SAMPLE_RANDOM（老版本中的SA_SAMPLE_RANDOM），表示对系统熵有贡献，对系统获取随机数有好处。（这几个flag是可以通过或的方式同时使用的）dev_id在中断共享时会用到，一般设置为这个设备的设备结构体或者NULL。devname设置中断名称，在cat /proc/interrupts中可以看到此名称。request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中断号无效或处理函数指针为NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。关于中断注册的例子，大家可在内核中搜索下request_irq。在编写驱动的过程中，比较容易产生疑惑的地方是：1、中断向量表在什么位置？是如何建立的？2、从中断开始，系统是怎样执行到我自己注册的函数的？3、中断号是如何确定的？对于硬件上有子中断的中断号如何确定？4、中断共享是怎么回事，dev_id的作用是？本文以2.6.26内核和S3C2410处理器为例，为大家讲解这几个问题。二、异常向量表的建立在ARM V4及V4T以后的大部分处理器中，中断向量表的位置可以有两个位置：一个是0，另一个是0xffff0000。可以通过CP15协处理器c1寄存器中V位(bit13)控制。V和中断向量表的对应关系如下：V=0 0x000000000x0000001C V=1 0xffff00000xffff001Carch/arm/mm/proc-arm920.S中.section .text.init, #alloc, #execinstr _arm920_setup: orr r0, r0, #0x2100 .1. .1 .11 .1/bit13=1 中断向量表基址为0xFFFF0000。R0的值将被付给CP15的C1.在linux中，向量表建立的函数为：init/main.c-start_kernel()-trap_init()void _init trap_init(void) unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE; memcpy(void *)vectors, _vectors_start, _vectors_end - _vectors_start); memcpy(void *)vectors + 0x200, _stubs_start, _stubs_end - _stubs_start); . 在2.6.26内核中CONFIG_VECTORS_BASE最初是在各个平台的配置文件中设定的，如：arch/arm/configs/s3c2410_defconfig中CONFIG_VECTORS_BASE=0xffff0000_vectors_end 至 _vectors_start之间为异常向量表。位于arch/arm/kernel/entry-armv.S.globl _vectors_start_vectors_start: swi SYS_ERROR0: b vector_und + stubs_offset /复位异常: ldr pc, .LCvswi + stubs_offset /未定义指令异常: b vector_pabt + stubs_offset /软件中断异常: b vector_dabt + stubs_offset /数据异常: b vector_addrexcptn + stubs_offset /保留: b vector_irq + stubs_offset /普通中断异常: b vector_fiq + stubs_offset /快速中断异常: .globl _vectors_end:_vectors_end:_stubs_end 至 _stubs_start之间是异常处理的位置。也位于文件arch/arm/kernel/entry-armv.S中。vector_und、vector_pabt、vector_irq、vector_fiq都在它们中间。stubs_offset值如下：.equ stubs_offset, _vectors_start + 0x200 - _stubs_startstubs_offset是如何确定的呢？（引用网络上的一段比较详细的解释）当汇编器看到B指令后会把要跳转的标签转化为相对于当前PC的偏移量（32M）写入指令码。从上面的代码可以看到中断向量表和stubs都发生了代码搬移，所以如果中断向量表中仍然写成b vector_irq，那么实际执行的时候就无法跳转到搬移后的vector_irq处，因为指令码里写的是原来的偏移量，所以需要把指令码中的偏移量写成搬移后的。我们把搬移前的中断向量表中的irq入口地址记irq_PC,它在中断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，这两个偏移量在搬移前后是不变的。搬移后 vectors_start在0xffff0000处，而stubs_start在0xffff0200处，所以搬移后的vector_irq相对于中断 向量中的中断入口地址的偏移量就是，200+vector_irq在stubs中的偏移量再减去中断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,对于括号内的值实际上就是中断向量表中写的vector_irq，减去irq_PC是由汇编器完成的，而后面的 vectors_start+200-stubs_start就应该是stubs_offset，实际上在entry-armv.S中也是这样定义的。三、中断处理过程 这一节将以S3C2410为例，描述linux-2.6.26内核中，从中断开始，中断是如何一步一步执行到我们注册函数的。 3.1 中断向量表 archarmkernelentry-armv.S_vectors_start: swi SYS_ERROR0 b vector_und + stubs_offset ldr pc, .LCvswi + stubs_offset b vector_pabt + stubs_offset b vector_dabt + stubs_offset b vector_addrexcptn + stubs_offset b vector_irq + stubs_offset b vector_fiq + stubs_offset .globl _vectors_end _vectors_end:中断发生后，跳转到b vector_irq + stubs_offset的位置执行。注意现在的向量表的初始位置是0xffff0000。 3.2 中断跳转的入口位置 archarmkernelentry-armv.S .globl _stubs_start _stubs_start: /* * Interrupt dispatcher */ vector_stub irq, IRQ_MODE, 4 IRQ_MODE在includeasmptrace.h中定义：0x12 .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上面代码中vector_stub宏的定义为： .macro vector_stub, name, mode, correction=0 .align 5 vector_ ame: .if correction sub lr, lr, #correction .endif Save r0, lr_ (parent PC) and spsr_ (parent CPSR) stmia sp, r0, lr save r0, lr mrs lr, spsr str lr, sp, #8 save spsr Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled. mrs r0, cpsr eor r0, r0, #(mode SVC_MODE) msr spsr_cxsf, r0 为后面进入svc模式做准备 the branch table must immediately follow this code and lr, lr, #0x0f 进入中断前的mode的后4位 #define USR_MODE 0x00000010 #define FIQ_MODE 0x00000011 #define IRQ_MODE 0x00000012 #define SVC_MODE 0x00000013 #define ABT_MODE 0x00000017 #define UND_MODE 0x0000001b #define SYSTEM_MODE 0x0000001f mov r0, sp ldr lr, pc, lr, lsl #2 如果进入中断前是usr，则取出PC+4*0的内容，即_irq_usr 如果进入中断前是svc，则取出PC+4*3的内容，即_irq_svc movs pc, lr 当指令的目标寄存器是PC，且指令以S结束，则它会把 spsr的值恢复给cpsr branch to handler in SVC mode .endm .globl _stubs_start _stubs_start: /* * 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)用“irq, IRQ_MODE, 4”代替宏vector_stub中的“name, mode, correction”，找到了我们中断处理的入口位置为vector_irq（宏里面的vector_ ame）。 从上面代码中的注释可以看出，根据进入中断前的工作模式不同，程序下一步将跳转到_irq_usr 、或_irq_svc等位置。我们先选择_irq_usr作为下一步跟踪的目标。 3.3 _irq_usr的实现 archarmkernelentry-armv.S_irq_usr: usr_entry 后面有解释 kuser_cmpxchg_check #ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS bl trace_hardirqs_off #endif get_thread_info tsk 获取当前进程的进程描述符中的成员变量thread_info的地址，并将该地址保存到寄存器tsk等于r9（在entry-header.S中定义） #ifdef CONFIG_PREEMPT/如果定义了抢占，增加抢占数值 ldr r8, tsk, #TI_PREEMPT get preempt count add r7, r8, #1 increment it str r7, tsk, #TI_PREEMPT #endifirq_handler 中断处理，我们最关心的地方，3.4节有实现过程。 #ifdef CONFIG_PREEMPT ldr r0, tsk, #TI_PREEMPT str r8, tsk, #TI_PREEMPT teq r0, r7 strne r0, r0, -r0 #endif #ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS bl trace_hardirqs_on #endifmov why, #0b ret_to_user 中断处理完成，返回中断产生的位置，3.7节有实现过程 上面代码中的usr_entry是一个宏，主要实现了将usr模式下的寄存器、中断返回地址保存到堆栈中。.macro usr_entry sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE S_FRAME_SIZE的值在archarmkernelasm-offsets.c 中定义 DEFINE(S_FRAME_SIZE, sizeof(struct pt_regs);实际上等于72 stmib sp, r1 - r12 ldmia r0, r1 - r3 add r0, sp, #S_PC here for interlock avoidance mov r4, #-1 str r1, sp save the real r0 copied from the exception stack We are now ready to fill in the remaining blanks on the stack: r2 - lr_, already fixed up for correct return/restart r3 - spsr_ r4 - orig_r0 (see pt_regs definition in ptrace.h) Also, separately save sp_usr and lr_usr stmia r0, r2 - r4 stmdb r0, sp, lr Enable the alignment trap while in kernel mode alignment_trap r0 Clear FP to mark the first stack frame zero_fp .endm上面的这段代码主要在填充结构体pt_regs ，这里提到的struct pt_regs，在include/asm/ptrace.h中定义。此时sp指向struct pt_regs。 struct pt_regs long uregs18; ; #define ARM_cpsr uregs16 #define ARM_pc uregs15 #define ARM_lr uregs14 #define ARM_sp uregs13 #define ARM_ip uregs12 #define ARM_fp uregs11 #define ARM_r10 uregs10 #define ARM_r9 uregs9 #define ARM_r8 uregs8 #define ARM_r7 uregs7 #define ARM_r6 uregs6 #define ARM_r5 uregs5 #define ARM_r4 uregs4 #define ARM_r3 uregs3 #define ARM_r2 uregs2 #define ARM_r1 uregs1 #define ARM_r0 uregs0 #define ARM_ORIG_r0 uregs173.4 irq_handler的实现过程，archarmkernelentry-armv.S .macro irq_handler get_irqnr_preamble r5, lr 在include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s中定义了宏get_irqnr_preamble为空操作，什么都不做 1: get_irqnr_and_base r0, r6, r5, lr 判断中断号，通过R0返回，3.5节有实现过程 movne r1, sp routine called with r0 = irq number, r1 = struct pt_regs * adrne lr, 1b bne asm_do_IRQ 进入中断处理。 .endm3.5 get_irqnr_and_base中断号判断过程，include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s.macro get_irqnr_and_base, irqnr, irqstat, base, tmp mov ase, #S3C24XX_VA_IRQ try the interrupt offset register, since it is there ldr irqstat, ase, #INTPND teq irqstat, #0 beq 1002f ldr irqnr, ase, #INTOFFSET 通过判断INTOFFSET寄存器得到中断位置 mov mp, #1 tst irqstat, mp, lsl irqnr bne 1001f the number specified is not a valid irq, so try and work it out for ourselves mov irqnr, #0 start here work out which irq (if any) we got movs mp, irqstat, lsl#16 addeq irqnr, irqnr, #16 moveq irqstat, irqstat, lsr#16 tst irqstat, #0xff addeq irqnr, irqnr, #8 moveq irqstat, irqstat, lsr#8 tst irqstat, #0xf addeq irqnr, irqnr, #4 moveq irqstat, irqstat, lsr#4 tst irqstat, #0x3 addeq irqnr, irqnr, #2 moveq irqstat, irqstat, lsr#2 tst irqstat, #0x1 addeq irqnr, irqnr, #1 we have the value 1001: adds irqnr, irqnr, #IRQ_EINT0 加上中断号的基准数值，得到最终的中断号，注意：此时没有考虑子中断的具体情况，（子中断的问题后面会有讲解）。IRQ_EINT0在include/asm/arch-s3c2410/irqs.h中定义.从这里可以看出，中断号的具体值是有平台相关的代码决定的，和硬件中断挂起寄存器中的中断号是不等的。 1002: exit here, Z flag unset if IRQ .endm3.6 asm_do_IRQ实现过程，arch/arm/kernel/irq.c asmlinkage void _exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs) struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs); struct irq_desc *desc = irq_desc + irq;/根据中断号找到对应的irq_desc /* * Some hardware gives randomly wrong interrupts. Rather * than crashing, do something sensible. */ if (irq = NR_IRQS) desc = &bad_irq_desc; irq_enter();/没做什么特别的工作，可以跳过不看 desc_handle_irq(irq, desc);/ 根据中断号和desc进入中断处理 /* AT91 specific workaround */ irq_finish(irq); irq_exit(); set_irq_regs(old_regs); static inline void desc_handle_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc) desc-handle_irq(irq, desc);/中断处理 上述asmlinkage void _exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)使用了asmlinkage标识。那么这个标识的含义如何理解呢？ 该符号定义在kernel/include/linux/linkage.h中，如下所示： #include /各个具体处理器在此文件中定义asmlinkage #ifdef _cplusplus #define CPP_ASMLINKAGE extern C #else #define CPP_ASMLINKAGE #endif#ifndef asmlinkage/如果以前没有定义asmlinkage #define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE #endif对于ARM处理器的，没有定义asmlinkage，所以没有意义（不要以为参数是从堆栈传递的，对于ARM平台来说还是符合ATPCS过程调用标准，通过寄存器传递的）。 但对于X86处理器的中是这样定义的：#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE _attribute_(regparm(0)表示函数的参数传递是通过堆栈完成的。3.7 描述3.3节中的ret_to_user 中断返回过程，/arch/arm/kernel/entry-common.SENTRY(ret_to_user) ret_slow_syscall: disable_irq disable interrupts ldr r1, tsk, #TI_FLAGS tst r1, #_TIF_WORK_MASK bne work_pending no_work_pending: /* perform architecture specific actions before user return */ arch_ret_to_user r1, lr slow_restore_user_regs ldr r1, sp, #S_PSR get calling cpsr ldr lr, sp, #S_PC! get pc msr spsr_cxsf, r1 save in spsr_svc ldmdb sp, r0 - lr get calling r0 - lr mov r0, r0 add sp, sp, #S_FRAME_SIZE - S_PC movs pc, lr return & move spsr_svc into cpsr第三章主要跟踪了从中断发生到调用到对应中断号的desc-handle_irq(irq, desc)中断函数的过程。后面的章节还会继续讲解后面的内容。四、中断处理模型 要想弄清楚desc-handle_irq(irq, desc)和我们注册的中断有什么关联，就要了解中断处理模型了。 4.1 中断处理模型结构 中断处理模型如下图所示，其中NR_IRQS表示最大的中断号，在include/asm/arch/irq.h中定义。 irq_desc是一个指向irq_desc_t结构的数组， irq_desc_t结构是各个设备中断服务例程的描述符。Irq_desc_t结构体中的成员action指向该中断号对应的irqaction结构体链表。Irqaction结构体定义在include/linux/interrupt.h中，如下：truct irqaction irq_handler_t handler; /中断处理函数，注册时提供 unsigned long flags; /中断标志，注册时提供 cpumask_t mask; /中断掩码 const char *name; /中断名称 void *dev_id; /设备id，本文后面部分介绍中断共享时会详细说明这个参数的作用 struct irqaction *next; /如果有中断共享，则继续执行， int irq; /中断号，注册时提供 struct proc_dir_entry *dir; /指向IRQn相关的/proc/irq/n目录的描述符 ;在注册中断号为irq的中断服务程序时，系统会根据注册参数封装相应的irqaction结构体。并把中断号为irq的irqaction结构体写入irq_desc irq-action。这样就把设备的中断请求号与该设备的中断服务例程irqaction联系在一起了。样当CPU接收到中断请求后，就可以根据中断号通过irq_desc 找到该设备的中断服务程序。 4.2 中断共享的处理模型共享中断的不同设备的iqraction结构体都会添加进该中断号对应的irq_desc结构体的action成员所指向的irqaction链表内。当内核发生中断时，它会依次调用该链表内所有的handler函数。因此，若驱动程序需要使用共享中断机制，其中断处理函数必须有能力识别是否是自己的硬件产生了中断。通常是通过读取该硬件设备提供的中断flag标志位进行判断。也就是说不是任何设备都可以做为中断共享源的，它必须能够通过的它的中断flag判断出是否发生了中断。中断共享的注册方法是：int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, IRQF_SHARED, const char *devname, void *dev_id) 很多权威资料中都提到，中断共享注册时的注册函数中的dev_id参数是必不可少的，并且dev_id的值必须唯一。那么这里提供唯一的dev_id值的究竟是做什么用的？ 根据我们前面中断模型的知识，可以看出发生中断时，内核并不判断究竟是共享中断线上的哪个设备产生了中断，它会循环执行所有该中断线上注册的中断处理函数（即irqaction-handler函数）。因此irqaction-handler函数有责任识别出是否是自己的硬件设备产生了中断，然后再执行该中断处理函数。通常是通过读取该硬件设备提供的中断flag标志位进行判断。那既然kernel循环执行该中断线上注册的所有irqaction-handler函数，把识别究竟是哪个硬件设备产生了中断这件事交给中断处理函数本身去做，那request_irq的dev_id参数究竟是做什么用的？ 很多资料中都建议将设备结构指针作为dev_id参数。在中断到来时，迅速地根据硬件寄存器中的信息比照传入的dev_id参数判断是否是本设备的中断，若不是，应迅速返回。这样的说法没有问题，也是我们编程时都遵循的方法。但事实上并不能够说明为什么中断共享必须要设置dev_id。 下面解释一下dev_id参数为什么必须的，而且是必须唯一的。 当调用free_irq注销中断处理函数时（通常卸载驱动时其中断处理函数也会被注销掉），因为dev_id是唯一的，所以可以通过它来判断从共享中断线上的多个中断处理程序中删除指定的一个。如果没有这个参数，那么kernel不可能知道给定的中断线上到底要删除哪一个处理程序。注销函数定义在Kernel/irq/manage.c中定义： void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)五、S3C2410子中断的注册的实现 5.1 S3C2410子中断注册问题的提出参看3.5节中判断中断号的方法，可以看到只是通过S3C2410中断控制器中的INTOFFSET寄存器来判断的。对于INTPND中的EINT4_7、EINT8_23、INT_UART0、INT_ADC 等带有子中断的向量，INTOFFSET无法判断出具体的中断号。平台留给我们的注册方法如下： 在include/asm/arch/irqs.h中有类似如下定义：/* interrupts generated from the external interrupts sources */ #define IRQ_EINT4 S3C2410_IRQ(32) /* 48 */ #define IRQ_EINT5 S3C2410_IRQ(33) #define IRQ_EINT6 S3C2410_IRQ(34) #define IRQ_EINT7 S3C2410_IRQ(35) #define IRQ_EINT8 S3C2410_IRQ(36) #define IRQ_EINT9 S3C2410_IRQ(37) #define IRQ_EINT10 S3C2410_IRQ(38) #define IRQ_EINT11 S3C2410_IRQ(39) #define IRQ_EINT12 S3C2410_IRQ(40) #define IRQ_EINT13 S3C2410_IRQ(41) #define IRQ_EINT14 S3C2410_IRQ(42) #define IRQ_EINT15 S3C2410_IRQ(43) #define IRQ_EINT16 S3C2410_IRQ(44) #define IRQ_EINT17 S3C2410_IRQ(45) #define IRQ_EINT18 S3C2410_IRQ(46) #define IRQ_EINT19 S3C2410_IRQ(47) #define IRQ_EINT20 S3C2410_IRQ(48) /* 64 */ #define IRQ_EINT21 S3C2410_IRQ(49) #define IRQ