armlinux内核中ARM中断实现详解.

1、linux-2.6.26 内核中 ARM 中断实现详解（1）作者：刘洪涛，华清远见嵌入式学院金牌讲师，ARM AT（授权培训讲师。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 longirqfla

2、gs, 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） ， 贝 J 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_SHARE（老版本中的 SA_SHIRQ，则表示多个设备共享中断，若设置了IRQF_SAMPLE_

3、RAND 老版本中的 SA_SAMPLE_RANDQM 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

4、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、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 OxffffOOOO 。可以通过 CP15 协处理器 cl寄存器中 V 位 (bit13) 控制。V 和中断向量表的对应关系如下：OxOOOOOOOOOxOOOOOO1COxffffOOOOOx

5、ffffOOarch/arm/mm/proc-arm92O.S 中.section .text.init, #alloc, #execinstr_arm92O_setup:.orrrO, rO,#Ox21OO .1. .1 .11 .1bit13=1中断向量表基址为 OxFFFFOOOO R0 的值将被付给 CP15 的 C1.init/main.c-start_kernel()-trap_init() void _init trap_init(void)CONFIG_VECTORS_BASE;memcpy(void *)vectors, vectors_start,_vectors_end

6、- _vectors_start);memcpy(void *)vectors + Ox2OO, stubs_start,_stubs_end - _stubs_start);在 2.6.26如：内核中 CONFIG_VECTORS_B 最初是在各个平台的配置文件中设定的,arch/arm/configs/s3c241O_defconfig 中CONFIG_VECTORS_BASE=OxffffOOOO_vectors_end 至 _vectors_start之间为异常向量表。位于 arch/arm/kernel/entry-armv.S.globl _vectors_start_vector

7、s_start:swi SYS_ERROR0:b vector_und + stubs_offset /复位异常:ldr pc, .LCvswi + stubs_offset/ 未定义指V=O1CV=1在 linux中，向量表建立的函数为：unsigned long vectors =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 vec

8、tor_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 + 0 x200 - _stubs_start stubs_offset 是如何确定的呢？（引用网络上的一段比较详

9、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（土 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_st

10、art ，这两个偏移量在搬移前后是 不变的。搬移后 vectors_start 在0 xffff0000 处，而 stubs_start 在 0 xffff0200 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

11、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。、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.Svectors_start:swi SYS_ERROR0bvector_und + stubs_offsetldr pc, .LCvswi + stubs_offs

12、et bvector_pabt +stubs_offsetbvector_dabt + stubs_offsetbvector_addrexcptn + stubs_offsetbvector_irq + stubs_offsetbvector_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 0 xffff0000 。3.2中断跳转的入口位置 archarmkernelentry-armv.S.globl_stubs_sta

13、rt_stubs_start: /* Interrupt dispatcher*/ vector_stub 在 includeasmptrace.h 中定义： 0 x12.long.longFIQ_32).longIRQ_32).long.long.long.long.long.long.long.long_irq .long_irq .long_irq .long_irq.longirq, IRQ_MODE4, IRQ_MODEirq_usr 0 (USR_26 / USR_32)irq_invalid 1 (FIQ_26 /irq_invalid 2 (IRQ_26 / irq_svc 3

14、(SVC_26 / SVC_32) irq_invalid 4irq_invalid 5 irq_invalid 6 irq_invalid 7 irq_invalid 8 irq_invalid 9 invalid ainvalid b invalid c invalid d_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 5vector_name:.if correctionsub lr, lr, #correction.e

15、ndif Save r0, lr_ (parent PC) andspsr_ (parent CPSR)stmia sp, r0, lr save r0, lrmrs lr, spsrstr lr, sp, #8 save spsrPrepare for SVC32mode. IRQs remain disabled.mrs r0, cpsreor r0, r0, #(modeASVC_MODE)msr spsr_cxsf, r0 为后面进入 svc 模式做准备 the branch table must immediately followthis codeand Ir, Ir, #0 x0

16、f 进入中断前的 mode 的后 4位#define USR_MODE 0 x00000010#define FIQ_MODE 0 x00000011#define IRQ_MODE 0 x00000012#define SVC_MODE 0 x00000013#define ABT_MODE 0 x00000017#define UND_MODE 0 x0000001b#define SYSTEM_MODE 0 x0000001fmov r0, spldr 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

17、,则取出 PC+4*3 的内容，即 _irq_svcmovs 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 SVCmode.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_2

18、6 / IRQ_32).long _irq_svc 3 (SVC_26 / SVC_32)用“irq, IRQ_M0DE4” 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_name )。 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:us

19、r_entry 后面有解释kuser_cmpxchg_check#ifdef C0NFIG_TRACE_IRQFLAGSbl trace_hardirqs_off#endifget_thread_info tsk 获取当前进程的进程描述 符中的成员变量thread nfo 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 addr7, r8, #1 increment itstr r7, tsk,

20、#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_PREEMPTldr r0, tsk, #TI_PREEMPTstr r8, tsk, #TI_PREEMPT teq r0, r7 strne r0, r0, -r0#endif#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGSbl trace_hardirqs_on#endifmov why, #0 b 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

21、 模式下的寄存器、 中断返 回地址保存到堆栈中。.macro usr_entrysub sp, sp, #S_FRAME_SIZE S_FRAME_SIZ 的值在archarmkernelasm-offsets.c中定义 DEFINE(S_FRAME_SIZE, sizeof(struct pt_regs); 实际上等于 72stmib sp, r1r12 ldmia r0, r1 - r3 add r0, sp, #S_PC here forinterlockavoidancemov r4, #-1 str r1, sp save the real r0 copied from theexc

22、eption stack We are now ready to fill in the remainingblanks on the stack: r2 - lr_, already fixed up forcorrect return/restart r3 - spsr_ r4 - orig_r0 (see pt_regs definition inptrace.h) Also, separately save sp_usr and lr_usrstmia r0, r2 - r4stmdb r0, sp, lrA Enable the alignment trap while in ker

23、nelmodealignment_trap r0 Clear FP to mark the first stack framezero_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 #defineARM_lr uregs14 #define ARM_sp uregs13 #de

24、fine ARM_ipuregs12 #define ARM_fp uregs11 #define ARM_r10 uregs10#define ARM_r9 uregs9 #define ARM_r8 uregs8 #define ARM_r7uregs7 #define ARM_r6 uregs6 #define ARM_r5 uregs5 #defineARM_r4 uregs4 #define ARM_r3 uregs3 #define ARM_r2 uregs2#define ARM_r1 uregs1 #define ARM_r0 uregs0 #defineARM_ORIG_r0

25、 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 RO 返回，3.5 节有实现过程-movne r1, sp routine called with rO = irq number, r1 = struc

26、tpt_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, tmpmov base, #S3C24XX_VA_IRQtry the interrupt offset register, since it is thereldr irqstat, base, #INTPND teq irqstat, #0 beq 1002

27、f ldr irqnr, base,#INTOFFSET 通过判断 INTOFFSET 寄存器得到中断位置mov tmp, #1tst irqstat, tmp, lsl irqnrbne 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 tmp,irqstat, lsl#16 addeq irqnr, irqnr, #16 moveq irqsta

28、t, irqstat, lsr#16 tstirqstat, #0 xff addeq irqnr, irqnr, #8 moveq irqstat, irqstat, lsr#8 tstirqstat, #0 xf addeq irqnr, irqnr, #4 moveq irqstat, irqstat, lsr#4 tstirqstat, #0 x3 addeq irqnr, irqnr, #2 moveq irqstat, irqstat, lsr#2 tstirqstat, #0 x1 addeq irqnr, irqnr, #1 we have the value 1001:add

29、s 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.casmlinkage void _exception asm_do_IR

30、Q(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();/

31、 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(unsi

32、gned 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_ASMLINKAG

33、E#endif对于 ARM 处理器的 vasm/linkage.h，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程调用标准, 通过寄存器传递的)。但对于 X86 处理器的 vasm/linkage.h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_us

34、er)ret_slow_syscall:disable_irq disable interrupts ldr r1, tsk,#TI_FLAGS tst r1, #_TIF_WORK_MASK bnework_pendingno_work_pending:/* perform architecture specific actions before userreturn */arch_ret_to_user r1, lr slow_restore_user_regsldr r1, sp, #S_PSR get calling cpsrldr lr, sp, #S_PC! get pc msr

35、spsr_cxsf, r1 save in spsr_svcIdmdb sp, rO - lrA get calli ng r0 - Ir mov r0, r0add sp, sp, #S_FRAME_SIZE - S_PC movs pc, lr return & move spsr_svc intocpsr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

36、。4.1 中断处理模型结构其中 NR_IRQSfe 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in clude/l inux/in terrupt.h中，如下：truct irqact ion irq_ha ndler_t han dler; /中断处理函数，注册时提供un sig ned long flag

37、s; / 中断标志，注册时提供 cpumask_t mask; /中断掩码const char *n ame; / 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 *n ext; /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 irqactio

38、n结构体写入 irq_deschw bq control口中断处理模型如下图所示，NR iRQSJTOnextirq-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 CPI 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

39、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_SHARE, Dconst 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

40、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，

41、 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

42、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INTOFFSE 寄存器来判断的。对于 INTPND 中的 EINT4_7、EINT8_23 INT_UART0INT_ADC 等带有子中断的向量，INTOFFSE

43、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)#

44、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