从IRQ到IRQL(APIC版)

作者&＃xff1a;SoBeIt

出处&＃xff1a;https://www.xfocus.net/bbs/index.php?act&＃61;ST&f&＃61;2&t&＃61;45502

日期&＃xff1a;2005-02-04



事实上&＃xff0c;老久的PIC在很早以前就被淘汰了&＃xff0c;取而代之的是APIC。由于APIC可以兼容PIC&＃xff0c;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&＃xff0c;是为了解决IRQ太少和处理器间中断而产生的&＃xff0c;当然&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;IRQL的概念已经可以通过中断向量的形式被APIC支持。事实上&＃xff0c;因为被APIC所支持&＃xff0c;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。



    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&＃39;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&＃xff0c;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&＃xff0c;而IO APIC是系统芯片组中一部分&＃xff0c;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&＃xff0c;以及由该处理器产生的处理器间中断&＃xff0c;并从APIC串行总线接收来自IO APIC的消息&＃xff1b;IO APIC负责接收所有外部的硬件中断&＃xff0c;并翻译成消息选择发给接收中断的处理器&＃xff0c;以及从本地APIC接收处理器间中断消息。



    和PIC一样&＃xff0c;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&＃xff0c;Intel把本地APIC和IO APIC的寄存器都映射到了物理地址空间&＃xff0c;本地APIC默认映射到物理地址0xffe00000&＃xff0c;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&＃xff0c;把IO APIC映射到虚拟地址0xffd06000&＃xff0c;也就是说对该地址的读写实际就是对寄存器的读写&＃xff0c;本地APIC里几个重要的寄存有EOI寄存器&＃xff0c;任务优先级寄存器(TPR)&＃xff0c;处理器优先级寄存器(PPR)&＃xff0c;中断命令寄存器(ICR&＃xff0c;64位)&＃xff0c;中断请求寄存器(IRR&＃xff0c;256位&＃xff0c;对应每个向量一位)&＃xff0c;中断在服务寄存器(ISR&＃xff0c;256位)等。IO APIC里几个重要的寄存器有版本寄存器&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;每一个表项是一个64位寄存器&＃xff0c;包括向量和目标模式、传输模式等相关位&＃xff0c;每一个表项连接一条IRQ线&＃xff0c;表项的数目随处理器的版本而不一样&＃xff0c;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&＃xff0c;但Intel保留了0-15向量&＃xff0c;可用的向量是16-255。并引进一个概念叫做任务优先级&＃61;中断向量/16&＃xff0c;因为保留了16个向量&＃xff0c;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&＃xff0c;所有优先级低于TPR中优先级的中断都被屏蔽&＃xff0c;是不是很象IRQL的机制&＃xff1f;事实上&＃xff0c;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&＃xff0c;可以进一步细粒度地区分中断的优先级。



    在HAL里虽然HalBeginSystemInterrupt仍然是IRQL机制的发动引擎&＃xff0c;但是因为有APIC的支持&＃xff0c;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&＃xff0c;用该优先级设置任务优先级寄存器TPR&＃xff0c;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&＃xff0c;还需要设置KPCR&＃43;0x95(0xffdff095)为DISPATCH_LEVEL(0x2)&＃xff0c;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&＃xff0c;表示中断结束&＃xff0c;可以接收新中断。并还要判断要降到的IRQL是否小于DISPATCH_LEVEL&＃xff0c;若小于则进一步判断KPCR&＃43;0x96(0xffdff096)是否置位&＃xff0c;若置位则表示有DPC中断在等待(在IRQL高于DISPATCH_LEVEL被引发&＃xff0c;然后等待直到IRQL降到低于DISPATCH_LEVEL)&＃xff0c;则将KPCR&＃43;0x95和KPCR&＃43;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&＃xff1a;把要降到的IRQL转换成任务优先级设置TRP&＃xff0c;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&＃xff0c;把当前IRQL转成任务优先级修改TPR&＃xff0c;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&＃xff0c;APIC通过产生一个发向自己的处理器间中断&＃xff0c;就可以产生一个软中断&＃xff0c;因为可以指定该中断的向量&＃xff0c;所以软中断就可以区分优先级别&＃xff0c;如APC_LEVEL、DISPATCH_LEVEL。产生软中断的函数一样还是HalRequestSoftwareInterrupt&＃xff0c;该函数会先判断KPCR&＃43;0x95是否和要产生的软中断IRQL一样&＃xff0c;若是的话则置位KPCR&＃43;0x96并返回&＃xff0c;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&＃xff0c;并或上0x4000&＃xff0c;表示是发向自身的固定处理间中断&＃xff0c;并用该值设置中断命令寄存器ICW的低32位&＃xff0c;然后读取中断命令寄存器ICW的低32位是否为0x1000&＃xff0c;确定中断消息已经发送后就返回&＃xff0c;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&＃xff1a;



#define ZERO_VECTOR             0x00    // IRQL 00

#define APC_VECTOR              0x3D    // IRQL 01

#define DPC_VECTOR              0x41    // IRQL 02

#define APIC_GENERIC_VECTOR     0xC1    // IRQL 27

#define APIC_CLOCK_VECTOR       0xD1    // IRQL 28

#define APIC_SYNCH_VECTOR       0xD1    // IRQL 28

#define APIC_IPI_VECTOR         0xE1    // IRQL 29

#define POWERFAIL_VECTOR        0xEF    // IRQL 30

#define APIC_PROFILE_VECTOR     0xFD    // IRQL 31





现在看一下一些重要的数据&＃xff1a;



这是我写的代码输出的IO APIC重定向表内容:



Redirect Table Index:    0x17

Redirect Table[ 0]:      ff

Redirect Table[ 1]:      b3

Redirect Table[ 2]:      ff

Redirect Table[ 3]:      51

Redirect Table[ 4]:      ff

Redirect Table[ 5]:      ff

Redirect Table[ 6]:      62

Redirect Table[ 7]:      ff

Redirect Table[ 8]:      d1

Redirect Table[ 9]:      b1

Redirect Table[ a]:      ff

Redirect Table[ b]:      ff

Redirect Table[ c]:      52

Redirect Table[ d]:      ff

Redirect Table[ e]:      ff

Redirect Table[ f]:      92

Redirect Table[10]:      ff

Redirect Table[11]:      a3

Redirect Table[12]:      83

Redirect Table[13]:      93

Redirect Table[14]:      ff

Redirect Table[15]:      ff

Redirect Table[16]:      ff

Redirect Table[17]:      ff



这是IDT表中被注册的向量:



1f: 80064908 (hal!HalpApicSpuriousService)

37: 800640b8 (hal!PicSpuriousService37)

3d: 80065254 (hal!HalpApcInterrupt)

41: 800650c8 (hal!HalpDispatchInterrupt)

50: 80064190 (hal!HalpApicRebootService)

51: 817f59e4

(Vector:51,Irql:4,SyncIrql:4,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:serial!SerialCIsrSw(f3c607c7))

52: 817f5044

(Vector:52,Irql:4,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042MouseInterruptService(f3c57a2c))

83: 817d2d44

(Vector:83,Irql:7,SyncIrql:7,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:NDIS!ndisMIsr(bff1b794))

92: 81821384

(Vector:92,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:atapi!ScsiPortInterrupt(bff892be))

93: 8185ed64

(Vector:93,Irql:8,SyncIrql:8,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:uhcd!UHCD_InterruptService(f3f0253e))

a3: 8186cdc4

(Vector:a3,Irql:9,SyncIrql:9,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:SCSIPORT!ScsiPortInterrupt(bff719f0))

b1: 818902e4

(Vector:b1,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:TRUE,Mode:LevelSensitive,ISR:ACPI!ACPIInterruptServiceRoutine(bffe14b4))

b3: 81881664

(Vector:b3,Irql:a,SyncIrql:a,Connected:TRUE,No:0,ShareVector:FALSE,Mode:Latched,ISR:i8042prt!I8042KeyboardInterruptService(f3c51918))

c1: 800642fc (hal!HalpBroadcastCallService)

d1: 80063964 (hal!HalpClockInterrupt)

e1: 80064858 (hal!HalpIpiHandler)

e3: 800645d4 (hal!HalpLocalApicErrorService)

fd: 80064d64 (hal!HalpProfileInterrupt)

fe: 80064eec (hal!HalpPerfInterrupt)



象a3、b1这类输出内容很多的是被硬件注册的中断向量&＃xff0c;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



这是几个重要的数组:



HalVectorToIrql(这个数组是以向量除于16做索引):

8006a304  00 ff ff 01 02 04 05 06-07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e



HalpIRQLtoTPR:

8006a1e4  00 3d 41 41 51 61 71 81-91 a1 b1 b1 b1 b1 b1 b1

8006a1f4  b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1-b1 b1 b1 c1 d1 e1 ef ff



HalpINTItoVector:

8006ada0  00 b3 61 51 a2 b2 62 91-a1 b1 71 81 52 82 72 92

8006adb0  00 a3 83 93 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00



HalVectorToINTI:

8006a204  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a214  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a224  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a234  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a244  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a254  ff 03 0c ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a264  ff 02 06 ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a274  ff 0a 0e ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a284  ff 0b 0d 12 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a294  ff 07 0f 13 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a2a4  ff 08 04 11 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a2b4  ff 09 05 01 ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a2c4  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a2d4  ff 08 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a2e4  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff

8006a2f4  ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff  





vBucket:

8006ae30  02 02 02 03 03 03 03



    举个例子来说明一下&＃xff0c;在我虚拟机里SCSI Controller的IRQ是17(注意&＃xff0c;已经大于16了)&＃xff0c;到重定向表中查找第17项&＃xff0c;得到中断向量为0xa3&＃xff0c;再看IDT&＃xff0c;0xa3对应处理例程是SCSIPORT!ScsiPortInterrupt。



    vBucket数组干啥用的&＃xff1f;它就是用来分配新的向量。分配算法很简单&＃xff0c;当要分配一个新的向量时&＃xff0c;就在vBucket数组从右到左搜索最小的一个数i&＃xff0c;该数对应在vBucket中索引为Index&＃xff0c;新向量为(0x50&＃43;Index*16&＃43;i&＃43;1)&＃xff0c;新向量对应的IRQL为(4&＃43;i&＃43;1)&＃xff0c;同时会把vBucket中这个i加1&＃xff0c;i不等大于16。象给出的这个vBucket&＃xff0c;下一次计算时i&＃61;2&＃xff0c; index&＃61;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&＃xff0c;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&＃xff0c;象上面给出的例子中&＃xff0c;0xa1、0xa2、0xb1等向量就没有对应。



    IRQL机制为内核同步提供了很大的便利&＃xff0c;既对驱动开发者隐藏了底层中断机制&＃xff0c;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&＃xff0c;很大程度上也来自windows这套机制的借鉴。



    终于考完试&＃xff0c;解放了&＃xff0c;呵呵。这个东西其实还有很多可写的&＃xff0c;只是没空再深入去分析了。在未来的64位系统里&＃xff0c;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。