【原創】X86下ipipe接管中斷/異常

2021 年 6 月 6 日
筆記
x86, xenomai

X86 ipipe接管中斷/異常

X86 ipipe接管中斷/異常

本文主要講述X86 下xenomai ipipe是如何接管中斷的，關於異常將會放到雙核異常處理介紹。

一、回顧

上篇文章（X86中斷/異常與APIC）我們詳細介紹了X86平台中斷處理機制：

X86平台有256個中斷向量，表示256個異常或中斷，前32個vector為處理器保留用作異常處理，從32到255的vector編號被指定為用戶定義的中斷，不被處理器保留。這些中斷通常分配給外部I / O設備（部分固定為APIC中斷，如LAPIC Timer、溫度中斷等），以使這些設備能夠將中斷髮送到處理器，每個vector用一個門描述符來表示，也稱為中斷門，其結構入下。

描述符大小為128位，其主要保存了段選擇符、權限和中斷處理程序入口地址。在計算機的內存里，會保存一個中斷描述符表(IDT)，共256項。為了直接定位中斷描述符表，每個CPU都有個特殊的寄存器IDTR來保存IDT的在內存中的位置。

當CPU收到一個中斷/異常後，CPU 執行以下流程：

讀取由IDTR寄存器保存的IDT(中斷向量表)中對應的門描述符。CPU將vector乘以16作為偏移地址來找到該vector的中斷描述符條目（32位系統是乘以8）。
從中斷門描述符中得到保存的段選擇符。
根據段選擇符獲取對於的段描述符。
進行DPL特權級檢查。
切換堆棧。
壓棧保存原來上下文。
執行IDT中的中斷服務程序。
返回原來上下文。

(保護模式下的中斷處理，圖來源：//blog.csdn.net/qq_39376747/article/details/113736525?spm=1001.2014.3001.5501)

本文從軟件的角度，來看Linux中這個流程是怎樣的，着重於硬件相關部分，只有這部分涉及ipipe，linux通用的中斷子系統不涉及，所以linux通用的中斷子系統本文不做描述。

二、X86 linux異常中斷處理

1. 中斷門及IDT

CPU主要將門分為三種：任務門，中斷門，陷阱門。雖然CPU把門描述符分為了三種，但是linux為了處理更多種情況，把門描述符分為了五種，分別為中斷門，系統門，系統中斷門，陷阱門，任務門；但其存儲結構與CPU定義的門不變。門結構如下：

linux中中斷門由結構體struct gate_struct描述，如下：

struct idt_bits {
	u16		ist	: 3,  /*提供切換到新堆棧以進行中斷處理的功能*/
			zero	: 5,
			type	: 5,/*IDT條目類型：中斷，陷阱，任務門*/
			dpl	: 2,/*描述符權限級別*/
			p	: 1;/*段是否處於內存中*/
} __attribute__((packed));

struct gate_struct {
	u16		offset_low; /*中斷處理程序入口點的偏移低15bit*/
	u16		segment;	/*GDT或LDT中的代碼段選擇子*/
	struct idt_bits	bits;
	u16		offset_middle;/*中斷處理程序入口點的偏移中15bit*/
#ifdef CONFIG_X86_64
	u32		offset_high;/*中斷處理程序入口點的偏移高32bit*/
	u32		reserved;
#endif
} __attribute__((packed));

五種門結構可通過宏INTG(_vector, _addr)、SYSG(_vector, _addr)、ISTG(_vector, _addr)、SISTG(_vector, _addr)、TSKG(_vector, _addr)來初始化。

/*arch\x86\kernel\idt.c*/
#define DPL0		0x0
#define DPL3		0x3

#define DEFAULT_STACK	0

#define G(_vector, _addr, _ist, _type, _dpl, _segment)	\
	{						\
		.vector		= _vector,		\ 
		.bits.ist	= _ist,			\ 
		.bits.type	= _type,		\
		.bits.dpl	= _dpl,			\
		.bits.p		= 1,			\
		.addr		= _addr,		\
		.segment	= _segment,		\
	}

/* Interrupt gate */
#define INTG(_vector, _addr)				\
	G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)

/* System interrupt gate */
#define SYSG(_vector, _addr)				\
	G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)
	
/* Interrupt gate with interrupt stack */
#define ISTG(_vector, _addr, _ist)			\
	G(_vector, _addr, _ist, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)

/* System interrupt gate with interrupt stack */
#define SISTG(_vector, _addr, _ist)			\
	G(_vector, _addr, _ist, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)

/* Task gate */
#define TSKG(_vector, _gdt)				\
	G(_vector, NULL, DEFAULT_STACK, GATE_TASK, DPL0, _gdt << 3)

linux中vector 0-31、APIC和SMP相關門描述使用這幾個宏進行初始化，其餘中斷門描述符會通過函數set_intr_gate()進行初始化。

static void set_intr_gate(unsigned int n, const void *addr)
{
	struct idt_data data;

	BUG_ON(n > 0xFF);/*大於255,出錯*/

	memset(&data, 0, sizeof(data));
	data.vector	= n;   /*vector*/
	data.addr	= addr; /*中斷程序入口地址*/
	data.segment	= __KERNEL_CS;/*內核代碼段*/
	data.bits.type	= GATE_INTERRUPT;  //門類型
	data.bits.p	= 1;

	idt_setup_from_table(idt_table, &data, 1, false);/*寫入idt_table，不記錄到bitmap*/
}

中斷描述符表IDT 由數組idt_table[256]描述，用來保存每個CPU的256個Vector的中斷門描述符：

/* Must be page-aligned because the real IDT is used in a fixmap. */
gate_desc idt_table[IDT_ENTRIES] __page_aligned_bss; /*IDT_ENTRIES = 256*/

保存中斷描述符表地址的特殊寄存器IDTR在Linux代碼中使用struct desc_ptr表示：

struct desc_ptr {
	unsigned short size;	/*16bit*/
	unsigned long address;	/*32bit*/
} __attribute__((packed)) ;

內核需要將itd_table 存儲到IDTR寄存中，中斷時CPU才能正確處理，Linux中用定義了一個idt_desc變量來存放全局IDT信息：

struct desc_ptr idt_descr __ro_after_init = {
	.size		= (IDT_ENTRIES * 2 * sizeof(unsigned long)) - 1,
	.address	= (unsigned long) idt_table,
};

通過指令lidt將 idt_desc保存到IDTR寄存器：

static inline void native_load_idt(const struct desc_ptr *dtr)
{
	asm volatile("lidt %0"::"m" (*dtr));
}

2. 初始化門描述符

中斷向量表中保存的是中斷和異常描述符。我們知道，內核需要經過多個階段才完成啟動。在啟動過程中，也會產生一些異常，這些異常輔助完成內核啟動工作，所以各個階段的中斷異常函數是不同的，這主要分為4個部分,1-3部門為各個啟動階段異常和陷阱的描述符（vector 0-31），第4部分為中斷描述符初始化（vector 32-255）：

第一部分：引導程序結束後，進入head_64.s後，start_kernel()執行之前的early(早期)階段產生的異常處理，主要是處理page_fault。

第二部分：start_kernel()執行過程中，cpu_init()準備TSS段前，此時異常處理堆棧還為準備好，填充DEFAULT_STACK 上運行的早期陷阱門，有debug、page_fault、int3。

第三部分：以上關於異常和陷阱的描述符只是臨時填充使用，最終的異常描述符將在trap_init()中完整初始化，填充每個CPU完整的異常處理gate，cpu_init()會設置每個CPU的idtr寄存器。

第四部分：中斷描述符初始化，包含SMP、APIC中斷。

2.1 早期異常處理

在x86_64_start_kernel()函數中，進入通用和獨立於體系結構的內核代碼之前，做的最後一個工作就是填充early_idt_handle,填充函數為 idt_setup_early_handler()。

void __init idt_setup_early_handler(void)
{
	int i;

	for (i = 0; i < NUM_EXCEPTION_VECTORS; i++)
		set_intr_gate(i, early_idt_handler_array[i])
#ifdef CONFIG_X86_32
	for ( ; i < NR_VECTORS; i++)
		set_intr_gate(i, early_ignore_irq);
#endif
	load_idt(&idt_descr);
}
/*arch\x86\include\asm\segment.h*/
#define NUM_EXCEPTION_VECTORS		32
#define EARLY_IDT_HANDLER_SIZE		 9
extern const char early_idt_handler_array[NUM_EXCEPTION_VECTORS][EARLY_IDT_HANDLER_SIZE];

中斷向量 0-31的處理程序的入口設置為early_idt_handler_array[vector],set_intr_gate()函數將early_idt_handler_array按IDT條目格式填充到idt_table,中斷向量32-255中斷處理入口設置為early_ignore_irq。

early_idt_handler_array裏面是什麼？在哪兒定義？early_idt_handler_array在arch/x86/kernel/entry_64.S中定義，彙編代碼循環填充32個中斷入口，可以看到這個階段產生的中斷和異常統一由early_idt_handler_common函數處理：

ENTRY(early_idt_handler_array)
	i = 0									/*循環初始量*/
	.rept NUM_EXCEPTION_VECTORS 			/*循環32*/
	.if ((EXCEPTION_ERRCODE_MASK >> i) & 1) == 0
		UNWIND_HINT_IRET_REGS
		pushq $0	# Dummy error code, to make stack frame uniform
	.else
		UNWIND_HINT_IRET_REGS offset=8
	.endif
	pushq $i		# 72(%rsp) Vector number
	jmp early_idt_handler_common 		/*執行中斷處理*/
	UNWIND_HINT_IRET_REGS
	i = i + 1
	.fill early_idt_handler_array + i*EARLY_IDT_HANDLER_SIZE - ., 1, 0xcc
	.endr
	UNWIND_HINT_IRET_REGS offset=16
END(early_idt_handler_array)

可以看到使用彙編宏生成32個一樣的異常的中斷處理程序。

處理流程為，如果異常具有錯誤代碼，那麼我們什麼也不做；如果異常沒有錯誤代碼，則將零壓入堆棧。這樣做是因為堆棧是統一的。之後，將vector編號壓入堆棧，然後跳轉到Early_idt_handler_common，這是目前的階段所有異常中斷的處理程序。

early_idt_handler_array數組每項有九個位元組，代表可選的錯誤代碼壓棧、vcetor壓棧和跳轉到Early_idt_handler_common三條指令。可以在使用objdump util查看：

$ objdump -D vmlinux
...
...
...
ffffffff81fe5000 <early_idt_handler_array>:
ffffffff81fe5000: 6a 00 			pushq $0x0
ffffffff81fe5002: 6a 00 			pushq $0x0
ffffffff81fe5004: e9 17 01 00 00 	jmpq ffffffff81fe5120 <early_idt_han
dler_common>
ffffffff81fe5009: 6a 00 			pushq $0x0
ffffffff81fe500b: 6a 01				pushq $0x1
ffffffff81fe500d: e9 0e 01 00 00 	jmpq ffffffff81fe5120 <early_idt_han
dler_common>
ffffffff81fe5012: 6a 00 			pushq $0x0
ffffffff81fe5014: 6a 02 			pushq $x2
...
...
...

我們知道，CPU在調用中斷處理程序之前將寄存器flags、CS和RIP壓入堆棧。因此，在執 early_idt_handler_common之前，堆棧將包含以下數據：

|--------------------|
| %rflags 			 |
| %cs                |
| %rip               |
| error code         |
| vector number      |<-- %rsp
|--------------------|

現在，讓我們看一下early_idt_handler_common具體實現。它位於相同的arch/x86/kernel/head_64.S彙編文件中。這裡有一個標誌位early_recursion_flag，來防止在early_idt_handler_common遞歸，進入前：

early_idt_handler_common:
	cld
	incl early_recursion_flag(%rip)
	/*通用寄存器保存堆棧上：*/
	pushq %rsi				/* pt_regs->si */
	movq 8(%rsp), %rsi			/* RSI = vector number */
	movq %rdi, 8(%rsp)			/* pt_regs->di = RDI */
	pushq %rdx				/* pt_regs->dx */
	pushq %rcx				/* pt_regs->cx */
	pushq %rax				/* pt_regs->ax */
	pushq %r8				/* pt_regs->r8 */
	pushq %r9				/* pt_regs->r9 */
	pushq %r10				/* pt_regs->r10 */
	pushq %r11				/* pt_regs->r11 */
	pushq %rbx				/* pt_regs->bx */
	pushq %rbp				/* pt_regs->bp */
	pushq %r12				/* pt_regs->r12 */
	pushq %r13				/* pt_regs->r13 */
	pushq %r14				/* pt_regs->r14 */
	pushq %r15				/* pt_regs->r15 */
	UNWIND_HINT_REGS

	cmpq $14,%rsi		/* Page fault? */
	jnz 10f 			/*非 page fault*/
	GET_CR2_INTO(%rdi)	/* Can clobber any volatile register if pv */
	call early_make_pgtable /*早期創建頁表*/
	andl %eax,%eax
	jz 20f			/* All good */

10:
	movq %rsp,%rdi		/* RDI = pt_regs; RSI is already trapnr */
	call early_fixup_exception /*處理其他異常*/

20:
	decl early_recursion_flag(%rip)
	jmp restore_regs_and_return_to_kernel
END(early_idt_handler_common)

從中斷處理程序返回前，我們需要這樣做以防止寄存器的錯誤值。此後，我們檢查向量編號，如果它是Page Fault，則將值從cr2放入rdi寄存器(Page Fault異常會將訪問產生異常的地址放到cr2寄存器中），並調用early_make_pgtable處理Page Fault異常。我們只了解異常發生及處理的過程，具體是怎樣處理的不關心，所以不再描述。

2.2 start_kernel中的異常向量初始化一

start_kernel()執行過程中，cpu_init()準備TSS段前，setup_arch()中首先將debug（vector 1）、breakpoint（vector 3）、Page Fault（vector 14）異常處理條目添加到idt_table。

void __init idt_setup_early_traps(void)
{
	idt_setup_from_table(idt_table, early_idts, ARRAY_SIZE(early_idts),
			     true);
	load_idt(&idt_descr);
}

static const __initconst struct idt_data early_idts[] = {
	INTG(X86_TRAP_DB,		debug),
	SYSG(X86_TRAP_BP,		int3),
#ifdef CONFIG_X86_32
	INTG(X86_TRAP_PF,		page_fault),
#endif
};

根據異常使用的中斷堆棧、特權級別、中斷類型不一樣使用不同的宏進行定義異常處理條目,當前堆棧還沒準備好，使用DEFAULT_STACK：

#define DEFAULT_STACK	0
/* Interrupt gate */
#define INTG(_vector, _addr)				\
	G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)

/* System interrupt gate *//*SYSG 代表DPL或特權級別,DPL3*/
#define SYSG(_vector, _addr)				\
	G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)

中斷處理函數debug、int3、page_fault在arch\x86\entry\entry_64.S中定義：

/*\arch\x86\entry\entry_64.S*/
idtentry debug			do_debug		has_error_code=0	paranoid=1	trapnr=1
idtentry int3			do_int3			has_error_code=0	trapnr=3
idtentry page_fault		do_page_fault		has_error_code=1	trapnr=14
idtentry stack_segment		do_stack_segment	has_error_code=1	trapnr=12

每個異常處理程序可以由兩部分組成。第一部分是通用部分，所有異常處理程序都相同。異常處理程序應將通用寄存器保存在堆棧上，如果異常來自用戶空間（處於不同特權等級），則應切換到內核堆棧，並將控制權轉移到異常處理程序的第二部分。異常處理程序的第二部分完成某些工作取決於什麼異常。例如，page fault異常處理程序應找到給定地址的虛擬頁面，invalid opcode異常處理程序應發送SIGILL信號等。

異常處理程序處理入口使用idtentry宏定義：

.macro idtentry sym do_sym has_error_code:req paranoid=0 shift_ist=-1
ENTRY(\sym)
	......
END(\sym)
.endm

idtentry是一個宏，有五個參數：

sym —使用 .globl name 定義全局符號，該符號將是異常處理程序入口點的名稱。
do_sym—表示異常處理程序的具體處理函數。
has_error_code—是否具有中斷錯誤代碼，對於如debug和int3等沒有提供錯誤碼的異常，idtentry內部偽造一個錯誤碼-1。

最後兩個是可選參數：

paranoid— 此參數= 1，則切換到特殊堆棧，定義是來自用戶空間還是來自異常處理程序，確定的最簡單方法是通過判斷CS段寄存器中的CPL或當前特權級別。如果等於3，則來自用戶空間，如果等於零，則來自內核空間：；
shift_ist — 中斷期間切換的堆棧

2.3 idtentry宏（DB異常為例）

以早期debug為例,看一下idtentry宏的實現:

idtentry debug do_debug has_error_code=0 paranoid=1 shift_ist=DEBUG_STACK

在早期發生中斷之後，當前堆棧將具有以下格式：

如果需要切換到特殊堆棧，檢查給定的參數是否正確。

/* Sanity check */
.if \shift_ist != -1 && \paranoid == 0
.error "using shift_ist requires paranoid=1"
.endif

如果中斷向量號具有與之相關的錯誤代碼，則將錯誤代碼壓入堆棧。對於未提供錯誤碼的異常，偽造一個錯誤碼放入堆棧，不僅是偽造的錯誤代碼。此外，-1還代表無效的系統調用號碼，因此不會觸發系統調用重新啟動邏輯.

    .if \has_error_code == 0 
    pushq	$-1				/* ORIG_RAX: no syscall to restart */
    .endif

檢查來自用戶空間的中斷.ORIRG_RAX宏為120位元組。通用寄存器將佔用這120個位元組，因為在中斷處理期間將所有寄存器存儲在堆棧中。

    .if \paranoid < 2
    testb	$3, CS-ORIG_RAX(%rsp)		/* If coming from userspace, switch stacks */
    jnz	.Lfrom_usermode_switch_stack_\@
    .endif

    .if \paranoid
    call	paranoid_entry /**/
    .else
    call	error_entry
    .endif

在這裡，我們檢查CS中的第一位和第二位。 CS寄存器包含段選擇子，其中前兩位是RPL。所有特權級別都是0到3範圍內的整數，其中最小的數字對應於最高的特權。所以如果中斷來自內核模式，我們稱為paranoid_entry，否則跳轉到標籤.Lfrom_usermode_switch_stack_\@上。在paranoid_entry中，我們將所有通用寄存器存儲在堆棧中，並在需要時將用戶gs切換到內核gs上：

ENTRY(paranoid_entry)
	UNWIND_HINT_FUNC
	cld
	PUSH_AND_CLEAR_REGS save_ret=1
	ENCODE_FRAME_POINTER 8
	movl	$1, %ebx
	movl	$MSR_GS_BASE, %ecx
	rdmsr
	testl	%edx, %edx
	js	1f				/* negative -> in kernel */
	SWAPGS
	xorl	%ebx, %ebx

1:
	SAVE_AND_SWITCH_TO_KERNEL_CR3 scratch_reg=%rax save_reg=%r14
	ret
END(paranoid_entry)

在接下來的步驟中，我們將pt_regs指針指向rdi，如果有錯誤代碼，則將其保存在rsi中，然後從arch / x86 / kernel / traps.c調用中斷處理程序-do_debug。

    movq	%rsp, %rdi			/* pt_regs pointer */

    .if \has_error_code
    movq	ORIG_RAX(%rsp), %rsi		/* get error code */
    movq	$-1, ORIG_RAX(%rsp)		/* no syscall to restart */
    .else
    xorl	%esi, %esi			/* no error code */
    .endif
    
    .if \shift_ist != -1
	subq	$EXCEPTION_STKSZ, CPU_TSS_IST(\shift_ist)
	.endif

	call	\do_sym /*二級異常處理程序*/

與其他處理程序一樣，do_debug也有兩個參數：

pt_regs-是顯示一組CPU寄存器的結構，這些寄存器保存在進程的內存區域中；
錯誤代碼-中斷的錯誤代碼。

中斷處理程序完成工作後，調用paranoid_exit以恢復堆棧，如果中斷來自那裡，則打開用戶空間並調用iret。就這樣。當然，這還不是全部:)，但是我們將在有關中斷的單獨章節中更深入地了解。

/* these procedures expect "no swapgs" flag in ebx */
	.if \paranoid
	jmp	paranoid_exit
	.else
	jmp	error_exit
	.endif

這是早期#DB中斷的idtentry宏的一般視圖。所有中斷都與此實現類似，並且也使用idtentry進行了定義。

2.4 start_kernel中的異常初始化二-trap_init()

系統中有個used_vectors變量，是一個bitmap，它用於記錄中斷向量表中哪些中斷已經被系統註冊和使用，哪些未被註冊使用。

void __init idt_setup_traps(void)
{
	idt_setup_from_table(idt_table, def_idts, ARRAY_SIZE(def_idts), true);
}
static const __initconst struct idt_data def_idts[] = {
	INTG(X86_TRAP_DE,		divide_error),
	INTG(X86_TRAP_NMI,		nmi),
	INTG(X86_TRAP_BR,		bounds),
	INTG(X86_TRAP_UD,		invalid_op),
	INTG(X86_TRAP_NM,		device_not_available),
	INTG(X86_TRAP_OLD_MF,		coprocessor_segment_overrun),
	INTG(X86_TRAP_TS,		invalid_TSS),
	INTG(X86_TRAP_NP,		segment_not_present),
	INTG(X86_TRAP_SS,		stack_segment),
	INTG(X86_TRAP_GP,		general_protection),
	INTG(X86_TRAP_SPURIOUS,		spurious_interrupt_bug),
	INTG(X86_TRAP_MF,		coprocessor_error),
	INTG(X86_TRAP_AC,		alignment_check),
	INTG(X86_TRAP_XF,		simd_coprocessor_error),

#ifdef CONFIG_X86_32
	TSKG(X86_TRAP_DF,		GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS),
#else
	INTG(X86_TRAP_DF,		double_fault),
#endif
	INTG(X86_TRAP_DB,		debug),

#ifdef CONFIG_X86_MCE
	INTG(X86_TRAP_MC,		&machine_check),
#endif

	SYSG(X86_TRAP_OF,		overflow),
#if defined(CONFIG_IA32_EMULATION)
	SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR,	entry_INT80_compat),
#elif defined(CONFIG_X86_32)
	SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR,	entry_INT80_32),
#endif
};

入口函數還是由宏idtentry定義：

idtentry divide_error			do_divide_error			has_error_code=0	trapnr=0
idtentry overflow			do_overflow			has_error_code=0	trapnr=4
idtentry bounds				do_bounds			has_error_code=0	trapnr=5
idtentry invalid_op			do_invalid_op			has_error_code=0	trapnr=6
idtentry device_not_available		do_device_not_available		has_error_code=0	trapnr=7
idtentry double_fault			do_double_fault			has_error_code=1 paranoid=2	trapnr=8
idtentry coprocessor_segment_overrun	do_coprocessor_segment_overrun	has_error_code=0	trapnr=9
idtentry invalid_TSS			do_invalid_TSS			has_error_code=1	trapnr=10
idtentry segment_not_present		do_segment_not_present		has_error_code=1	trapnr=11
idtentry spurious_interrupt_bug		do_spurious_interrupt_bug	has_error_code=0	trapnr=15
idtentry coprocessor_error		do_coprocessor_error		has_error_code=0	trapnr=16
idtentry alignment_check		do_alignment_check		has_error_code=1	trapnr=17
idtentry simd_coprocessor_error		do_simd_coprocessor_error	has_error_code=0	trapnr=19

到這，異常和陷阱已經初始化完畢，內核也已經開始使用新的中斷向量表了，BIOS的中斷向量表就已經遺棄，不再使用了。至於各種異常具體處理函數過程分析忽略。

2.5 初始中斷門描述符

上面內核已經完成異常和陷阱門初始化，下面進行進行中斷門的初始化，中斷門的初始化必須提到IRQ，所以會簡單帶過架構無關的Linux中斷子系統的知識。中斷門的初始化也是處於start_kernel()函數中，分為兩個部分，分別是early_irq_init()和init_IRQ()。early_irq_init()是第一步的初始化，其工作主要是跟硬件無關的一些初始化，比如一些變量的初始化，分配必要的內存等。init_IRQ()是第二步，其主要就是關於硬件部分的初始化了。

2.5.1 IRQ

IRQ：在PIC和單核時代，irq、vector、pin這個概念的確是合三為一的，irq就是PIC控制器的pin引腳，irq也暗示着中斷優先級，例如IRQ0比IRQ3有着更高的優先級。當進入MP多核時代，多核CPU下中斷處理帶來很多問題（如如何決定哪個中斷在哪個核上處理，如何保證各核上中斷負載均衡等），為了解決這些問題，vector、pin等概念都從irq中剝離出來，irq不再含有特定體系架構下中斷控制器的硬件屬性，只是內核中對中斷的一個通用的軟件抽象，與特定硬件解耦，增強其通用性。

在linux kernel中，我們使用下面兩個ID來標識一個來自外設的中斷：

1、IRQ number。CPU需要為每一個外設中斷編號，我們稱之IRQ Number。這個IRQ number是一個虛擬的interrupt ID，和硬件無關，僅僅是被CPU用來標識一個外設中斷。

2、HW interrupt ID。對於interrupt controller而言，它收集了多個外設的interrupt request line並向上傳遞，因此，interrupt controller需要對外設中斷進行編碼。Interrupt controller用HW interrupt ID來標識外設的中斷。在interrupt controller級聯的情況下，僅僅用HW interrupt ID已經不能唯一標識一個外設中斷，還需要知道該HW interrupt ID所屬的interrupt controller（HW interrupt ID在不同的Interrupt controller上是會重複編碼的）。

這樣，CPU和interrupt controller在標識中斷上就有了一些不同的概念，但是，對於驅動工程師而言，我們和CPU視角是一樣的，我們只希望得到一個IRQ number，而不關係具體是那個interrupt controller上的那個HW interrupt ID。這樣一個好處是在中斷相關的硬件發生變化的時候，驅動軟件不需要修改。因此，linux kernel中的中斷子系統需要提供一個將HW interrupt ID映射到IRQ number上來的機制。（來自蝸窩科技）

上面說到的HW interrupt ID即我們說到中斷向量vector 32-255。

2.5.2 early_irq_init

int __init early_irq_init(void)
{
	/*irq描述符計數器，循環計數器，內存節點和irq_desc描述符*/
	int i, initcnt, node = first_online_node;
	struct irq_desc *desc;

	init_irq_default_affinity();

	initcnt = arch_probe_nr_irqs();/*體系結構相關的代碼來決定預先分配的中斷描述符的個數 */
	printk(KERN_INFO "NR_IRQS: %d, nr_irqs: %d, preallocated irqs: %d\n",
	       NR_IRQS, nr_irqs, initcnt);//33024 1448 16
	/*NR_IRQS是irq描述符的最大數量，或者換句話說是最大中斷數,其值取決於CONFIG_X86_IO_APIC內核配置選項的狀態*/
	if (WARN_ON(nr_irqs > IRQ_BITMAP_BITS))
		nr_irqs = IRQ_BITMAP_BITS;

	if (WARN_ON(initcnt > IRQ_BITMAP_BITS))
		initcnt = IRQ_BITMAP_BITS;

	if (initcnt > nr_irqs)
		nr_irqs = initcnt;
	
	/*遍歷所有需要在循環中分配的中斷描述符，並為描述符分配空間並插入到irq_desc_tree*/
	for (i = 0; i < initcnt; i++) {
		desc = alloc_desc(i, node, 0, NULL, NULL);/*分配中斷描述符*/
		set_bit(i, allocated_irqs);/*設定已經alloc的flag*/
		irq_insert_desc(i, desc);/*irq與desc映射，使用radix tree*/
	}
	return arch_early_irq_init();/*對IO_APIC做早期初始化*/
}

1.init_irq_default_affinity()

我們知道，當硬件（如磁盤控制器或鍵盤）需要處理器注意時，它會拋出一個中斷。中斷告訴處理器發生了某些事情，處理器應該中斷當前進程並處理傳入事件。為了防止多個設備發送相同的中斷，建立了IRQ系統，linux為計算機系統中的每個設備分配了自己特定的IRQ，使其中斷是唯一的。Linux內核可以指派特定的IRQ到特定的處理器處理，這就是SMP IRQ affinity，它允許我們控制系統如何響應各種硬件事件。

2.首先調用arch_probe_nr_irqs()獲取預先分配的irq數量initcnt.

3.確定nr_irqs數量

4.為預先分配的irq分配irq_desc ,並在Bitmap allocated_irqs中標記已分配，將分配的irq與irq_desc插入基數樹irq_desc_tree，irq作為索引對應irq_desc地址作為葉子節點。irq_desc_tree是全局變量，定義如下：

/*include\linux\radix-tree.h*/
struct radix_tree_root {
	gfp_t			gfp_mask;		/*標示內存從哪分配*/
	struct radix_tree_node	__rcu *rnode;
};
#define RADIX_TREE_INIT(mask)	{					\
	.gfp_mask = (mask),						\
	.rnode = NULL,							\
}
/*kernel\irq\irqdesc.c*/
static RADIX_TREE(irq_desc_tree, GFP_KERNEL);

static void irq_insert_desc(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
	radix_tree_insert(&irq_desc_tree, irq, desc);
}

5.調用arch_early_irq_init()對IO_APIC做早期初始化，為預先分配的irq 0 to 15分配apic_chip_data空間，並設置到每個irq的irq_desc。

創建Irq_domain x86_vector_domain,並將其設置為irq_default_domain,創建子irq_domain pci_msi_domain_info、 htirq_domain；

irq_desc結構體是Linux中斷管理的基礎，代表一個中斷描述符在include/linux/irqdesc.h 中定義。

struct irq_desc {
	struct irq_common_data	irq_common_data;/* */
	struct irq_data		irq_data;
	unsigned int __percpu	*kstat_irqs;/*每個CPU的中斷狀態*/
#ifdef CONFIG_IPIPE
	void			(*ipipe_ack)(struct irq_desc *desc);
	void			(*ipipe_end)(struct irq_desc *desc);
#endif /* CONFIG_IPIPE */
	irq_flow_handler_t	handle_irq;/*高級irq事件處理程序*/
#ifdef CONFIG_IRQ_PREFLOW_FASTEOI
	irq_preflow_handler_t	preflow_handler;
#endif
	struct irqaction	*action;	/* IRQ action list 標識IRQ發生時要調用的中斷服務程序; */
	unsigned int		status_use_accessors;/*包含中斷源的狀態，它是enum來自include/linux/irq.h的值和在同一源代碼文件中定義的不同宏的組合;*/
	unsigned int		core_internal_state__do_not_mess_with_it;
	unsigned int		depth;		/* 如果IRQ已啟用，則為正值，如果0已至少禁用一次*/
	unsigned int		wake_depth;	/* nested wake enables */
	unsigned int		irq_count;	/* IRQ線路上發生中斷的計數器*/
	unsigned long		last_unhandled;	/* Aging timer for unhandled count */
	unsigned int		irqs_unhandled;/*未處理中斷的計數*/
	atomic_t		threads_handled;
	int			threads_handled_last;
	raw_spinlock_t		lock;/*用於序列化對IRQ描述符的訪問的自旋鎖;*/
	struct cpumask		*percpu_enabled;
	const struct cpumask	*percpu_affinity;
#ifdef CONFIG_SMP
	const struct cpumask	*affinity_hint;
	struct irq_affinity_notify *affinity_notify;
#ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ
	cpumask_var_t		pending_mask;/*等待重新平衡的中斷;*/
#endif
#endif
	unsigned long		threads_oneshot;
	atomic_t		threads_active;
	wait_queue_head_t       wait_for_threads;
#ifdef CONFIG_PM_SLEEP
	unsigned int		nr_actions;
	unsigned int		no_suspend_depth;
	unsigned int		cond_suspend_depth;
	unsigned int		force_resume_depth;
#endif
#ifdef CONFIG_PROC_FS
	struct proc_dir_entry	*dir;
#endif
#ifdef CONFIG_GENERIC_IRQ_DEBUGFS
	struct dentry		*debugfs_file;
#endif
#ifdef CONFIG_SPARSE_IRQ
	struct rcu_head		rcu;
	struct kobject		kobj;
#endif
	struct mutex		request_mutex;
	int			parent_irq;
	/*中斷描述符的所有者。中斷描述符可以從模塊中分配。該字段需要在提供中斷的模塊上證明refcount;*/
	struct module		*owner;
	const char		*name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

關於linux中斷子系統後續文章介紹。

2.5.3 init_IRQ

init_IRQ函數是特定於體系結構的,在arch/X86/kenel/irqinit.c中定義，函數init_IRQ首先每個CPU初始化一個irq_desc指針數組vector_irq[];

/*\arch\ia64\include\asm\native\irq.h*/
#define NR_VECTORS	256
/*arch\x86\include\asm\hw_irq.h*/
typedef struct irq_desc* vector_irq_t[NR_VECTORS];
/*arch\x86\kernel\irqinit.c*/
DEFINE_PER_CPU(vector_irq_t, vector_irq) = {
	[0 ... NR_VECTORS - 1] = VECTOR_UNUSED, /*[256]*/
};
void __init init_IRQ(void)
{
	int i;
	for (i = 0; i < nr_legacy_irqs(); i++)
		per_cpu(vector_irq, 0)[ISA_IRQ_VECTOR(i)] = irq_to_desc(i);/*使用中斷描述符填充vector_irq*/
	x86_init.irqs.intr_init();/*native_init_IRQ ;在\arch\x86\kernel\x86_init.c中設置 */
}

在init_IRQ開頭,填充cpu0上的vector_irq[]0x30-0x3f項，用於ISA中斷，其實就是0-15,經過ISA_IRQ_VECTOR宏轉換變為0x30-0x3f，如果這些IRQ由PIC等傳統中斷控制器處理，則此配置在引導後可能是靜態的，這裡只是預先填充，如果系統使用的是APIC，這些向量空間將會被動態分配使用。

/*arch\x86\kernel\i8259.c*/
struct legacy_pic default_legacy_pic = {
	.nr_legacy_irqs = NR_IRQS_LEGACY,/*16*/
	.chip  = &i8259A_chip,
	.mask = mask_8259A_irq,
	.unmask = unmask_8259A_irq,
	.mask_all = mask_8259A,
	.restore_mask = unmask_8259A,
	.init = init_8259A,
	.probe = probe_8259A,
	.irq_pending = i8259A_irq_pending,
	.make_irq = make_8259A_irq,
};
struct legacy_pic *legacy_pic = &default_legacy_pic;
/*arch\x86\include\asm\i8259.h*/
static inline int nr_legacy_irqs(void)
{
	return legacy_pic->nr_legacy_irqs;
}

只之後調用x86_init.irqs.intr_init(),x86_init一個平台相關結構,指向平台設置相關的功能，還有與內存、處理器、定時器等相關的函數，這裡中斷只用到irqs段:

struct x86_init_ops x86_init __initdata = {
	/*與內存資源有關*/
	.resources = {
		.probe_roms		= probe_roms,
		.reserve_resources	= reserve_standard_io_resources,
		.memory_setup		= e820__memory_setup_default,
	},
	/*與解析多處理器配置表有關*/
	.mpparse = {
		.mpc_record		= x86_init_uint_noop,
		.setup_ioapic_ids	= x86_init_noop,
		.mpc_apic_id		= default_mpc_apic_id,
		.smp_read_mpc_oem	= default_smp_read_mpc_oem,
		.mpc_oem_bus_info	= default_mpc_oem_bus_info,
		.find_smp_config	= default_find_smp_config,
		.get_smp_config		= default_get_smp_config,
	},
	/*IRQ相關*/
	.irqs = {
		.pre_vector_init	= init_ISA_irqs,
		.intr_init		= native_init_IRQ,
		.trap_init		= x86_init_noop,
	},

	.oem = {
		.arch_setup		= x86_init_noop,
		.banner			= default_banner,
	},

	.paging = {
		.pagetable_init		= native_pagetable_init,
	},

	.timers = {
		.setup_percpu_clockev	= setup_boot_APIC_clock,
		.timer_init		= hpet_time_init,
		.wallclock_init		= x86_init_noop,
	},

	.iommu = {
		.iommu_init		= iommu_init_noop,
	},

	.pci = {
		.init			= x86_default_pci_init,
		.init_irq		= x86_default_pci_init_irq,
		.fixup_irqs		= x86_default_pci_fixup_irqs,
	},

	.hyper = {
		.init_platform		= x86_init_noop,
		.x2apic_available	= bool_x86_init_noop,
		.init_mem_mapping	= x86_init_noop,
	},
};

……..

發現展開有很多東西o(╥﹏╥)o，我們關注Vector 32-255的中斷門是怎樣填充的。所以僅看下圖即可，native_init_IRQ處理過程如下；

用與APIC與SMP的vector在arch\x86\kernel\idt.c義如下，中斷入口均在rch\x86\entry\entry_64.S使用宏picinterrupt、apicinterrupt2、apicinterrupt3定義：

#ifdef CONFIG_SMP
apicinterrupt3 IRQ_MOVE_CLEANUP_VECTOR		irq_move_cleanup_interrupt	smp_irq_move_cleanup_interrupt
apicinterrupt3 REBOOT_VECTOR			reboot_interrupt		smp_reboot_interrupt
#endif
apicinterrupt LOCAL_TIMER_VECTOR		apic_timer_interrupt		smp_apic_timer_interrupt
apicinterrupt X86_PLATFORM_IPI_VECTOR		x86_platform_ipi		smp_x86_platform_ipi
......
#ifdef CONFIG_IPIPE
apicinterrupt2 IPIPE_HRTIMER_VECTOR		ipipe_hrtimer_interrupt
#endif

apicinterrupt ERROR_APIC_VECTOR			error_interrupt			smp_error_interrupt
apicinterrupt SPURIOUS_APIC_VECTOR		spurious_interrupt		smp_spurious_interrupt

#ifdef CONFIG_IRQ_WORK
apicinterrupt IRQ_WORK_VECTOR			irq_work_interrupt		smp_irq_work_interrupt
#endif

/*arch\x86\kernel\idt.c*/
/*
 * The APIC and SMP idt entries
 */
static const __initconst struct idt_data apic_idts[] = {
#ifdef CONFIG_SMP
	INTG(RESCHEDULE_VECTOR,		reschedule_interrupt), /*重新調度*/
	INTG(CALL_FUNCTION_VECTOR,	call_function_interrupt),/**/
	INTG(CALL_FUNCTION_SINGLE_VECTOR, call_function_single_interrupt),
	INTG(IRQ_MOVE_CLEANUP_VECTOR,	irq_move_cleanup_interrupt),
	INTG(REBOOT_VECTOR,		reboot_interrupt),
#ifdef CONFIG_IPIPE
	INTG(IPIPE_RESCHEDULE_VECTOR,	ipipe_reschedule_interrupt),
	INTG(IPIPE_CRITICAL_VECTOR,	ipipe_critical_interrupt),
#endif
#endif

#ifdef CONFIG_X86_THERMAL_VECTOR
	INTG(THERMAL_APIC_VECTOR,	thermal_interrupt),
#endif

#ifdef CONFIG_X86_MCE_THRESHOLD
	INTG(THRESHOLD_APIC_VECTOR,	threshold_interrupt),
#endif

#ifdef CONFIG_X86_MCE_AMD
	INTG(DEFERRED_ERROR_VECTOR,	deferred_error_interrupt),
#endif

#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
	INTG(LOCAL_TIMER_VECTOR,	apic_timer_interrupt),
	INTG(X86_PLATFORM_IPI_VECTOR,	x86_platform_ipi),
# ifdef CONFIG_HAVE_KVM
	INTG(POSTED_INTR_VECTOR,	kvm_posted_intr_ipi),
	INTG(POSTED_INTR_WAKEUP_VECTOR, kvm_posted_intr_wakeup_ipi),
	INTG(POSTED_INTR_NESTED_VECTOR, kvm_posted_intr_nested_ipi),
# endif
# ifdef CONFIG_IRQ_WORK
	INTG(IRQ_WORK_VECTOR,		irq_work_interrupt),
# endif
#ifdef CONFIG_X86_UV
	INTG(UV_BAU_MESSAGE,		uv_bau_message_intr1),
#endif
	INTG(SPURIOUS_APIC_VECTOR,	spurious_interrupt),
	INTG(ERROR_APIC_VECTOR,		error_interrupt),
#ifdef CONFIG_IPIPE
	INTG(IPIPE_HRTIMER_VECTOR,	ipipe_hrtimer_interrupt),
#endif
#endif
};

vector 32-236除APIC和SMP固定的vector外，其餘中斷的中斷入口地址在rq_entries_start內定義，均將vector壓入棧後調用do_IRQ處理。
該宏定義在arch\x86\entry\entry_64.S中定義，32位系統相應的在entry_32.S中。

	.align 8
ENTRY(irq_entries_start)
    vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR/*定義0x20-0xec個中斷*/
    /*NR_VECTORS-FIRST_EXTERNAL_VECTOR個函數入口
	.rept表示循環 236-32 */
    .rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)
	UNWIND_HINT_IRET_REGS
	pushq	$(~vector+0x80)			/* 壓入中斷向量號 然後跳轉到common_interrupt */
	jmp	common_interrupt
	.align	8  /*8位元組對齊*/
	vector=vector+1
    .endr
END(irq_entries_start)

該宏使用rept宏循環創建FIRST_EXTERNAL_VECTOR個中斷入口，入口處的指令均為jmp common_interrupt,這些中斷全都跳轉到common_interrupt處理。common_interrupt處代碼如下。

common_interrupt:
	ASM_CLAC
	addq	$-0x80, (%rsp)			/* Adjust vector to [-256, -1] range */
	interrupt do_IRQ
	/* 0(%rsp): old RSP */
ret_from_intr:
	DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)
	TRACE_IRQS_OFF

	LEAVE_IRQ_STACK

	testb	$3, CS(%rsp)
	jz	retint_kernel /*返回內核態*/

	/* Interrupt came from user space */
GLOBAL(retint_user)/*返回用戶態*/
	mov	%rsp,%rdi
	call	prepare_exit_to_usermode
retint_user_early:
	TRACE_IRQS_IRETQ

common_interrupt首先判斷中斷向量號範圍，然後由do_IRQ函數去處理中斷，接下來就是熟悉的linux中斷處理子系統了。

三、linux x86_64中斷/異常處理總結

總結X86中斷的基本框架，X86 系統中有256個vector，用來識別中斷或異常的類型,vector 0-31處理器保留，有固定的用途，從32到255的vector編號被指定為用戶定義的中斷，不被處理器保留。這些中斷通常分配給外部I / O設備（部分固定為APIC中斷），以使這些設備能夠將中斷髮送到處理器，每個vector的處理程序都保存在一個特殊的位置–IDT（中斷描述符表），IDT的基地址保存在寄存器IDTR，在64位x86下IDT是一個16位元組描述的數組（32位系統為8位元組），當中斷髮生時CPU將vector乘以16（32位系統是乘以8）來找到IDT中的對應條目idt_data，然後根據條目信息跳轉到處理入口執行中斷和異常處理。

四、ipipe接管中斷處理

上面知道了打補丁前Linux的異常處理流程，可以想到，ipipe要優先處理中斷那就不能給linux中斷子系統去處理，只能從中斷入口去攔截，ipipe也的確是這樣做的，打補丁後的入口代碼如下：

common_interrupt:
	ASM_CLAC
	addq	$-0x80, (%rsp)			/* Adjust vector to [-256, -1] range */
#ifdef CONFIG_IPIPE
	interrupt __ipipe_handle_irq /*IPIPE中斷攔截*/
	testl	%eax, %eax
	jnz	ret_from_intr
	LEAVE_IRQ_STACK
	testb	$3, CS(%rsp)
	jz	retint_kernel_early
	jmp	retint_user_early
#else
	interrupt do_IRQ
#endif
	/* 0(%rsp): old RSP */
ret_from_intr:
	DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)
	TRACE_IRQS_OFF

	LEAVE_IRQ_STACK

	testb	$3, CS(%rsp)
	jz	retint_kernel /*返回內核態*/

	/* Interrupt came from user space */
GLOBAL(retint_user)/*返回用戶態*/
	mov	%rsp,%rdi
	call	prepare_exit_to_usermode
retint_user_early:
	TRACE_IRQS_IRETQ

可以看到，啟用了CONFIG_IPIPE後中斷就不是給do_IRQ()處理了，而是由__ipipe_handle_irq()處理，同樣對於APIC中斷：

/*
 * APIC interrupts.
 */
#ifdef CONFIG_IPIPE      
.macro apicinterrupt2 num sym
ENTRY(\sym)
	UNWIND_HINT_IRET_REGS
	ASM_CLAC
	pushq	$~(\num)
.Lcommon_\sym:
	interrupt __ipipe_handle_irq /*IPIPE中斷攔截*/
	testl	%eax, %eax
	jnz	ret_from_intr
	LEAVE_IRQ_STACK
	testb	$3, CS(%rsp)
	jz	retint_kernel_early
	jmp	retint_user_early
END(\sym)
.endm
.macro apicinterrupt3 num sym do_sym
apicinterrupt2 \num \sym
.endm
#else /* !CONFIG_IPIPE */
.macro apicinterrupt3 num sym do_sym
ENTRY(\sym)
	UNWIND_HINT_IRET_REGS
	ASM_CLAC
	pushq	$~(\num)
.Lcommon_\sym:
	interrupt \do_sym
	jmp	ret_from_intr
END(\sym)
.endm
#endif /* !CONFIG_IPIPE */

除CPU保留的vector 0-31外，均被ipipe插入函數__ipipe_handle_irq()攔截，這是保證xenomai實時性的基礎，對於處理器保留的trap vector 0-31，不是由__ipipe_handle_irq()處理，涉及xenomai核與linux核異常處理後面會單獨詳細說。

接下來分析__ipipe_handle_irq()是怎麼實現中斷處理的。

int __ipipe_handle_irq(struct pt_regs *regs)
{
	struct ipipe_percpu_data *p = __ipipe_raw_cpu_ptr(&ipipe_percpu);
	int irq, vector = regs->orig_ax, flags = 0;
	struct pt_regs *tick_regs;
	struct irq_desc *desc;

	if (likely(vector < 0)) {
		vector = ~vector;
		if (vector >= FIRST_SYSTEM_VECTOR) /*>0xec*/
			irq = ipipe_apic_vector_irq(vector);
		else {
			desc = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);/*獲取irq_desc*/
			if (IS_ERR_OR_NULL(desc)) {
#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
				__ack_APIC_irq();
#endif
	.....
			}
			irq = irq_desc_get_irq(desc);/*獲取irq*/
		}
	} else { /* 軟中斷*/
		irq = vector;
		flags = IPIPE_IRQF_NOACK;
	}

	ipipe_trace_irqbegin(irq, regs);

	……

	__ipipe_dispatch_irq(irq, flags);    /*中斷分發*/

	……
	return 1;
}

中斷到達哪個CPU就由哪個CPU 調用__ipipe_handle_irq()處理,首先先獲取到記錄管理該cpu上運行的情況的ipipe_percpu_data（ipipe domian管理），然後取出產生中斷的vector，x86架構中，產生中斷的vector是存放在寄存器orig_ax中的，然後將vector轉換為中斷號irq,最後調用__ipipe_dispatch_irq(irq, flags)進行進一步處理，ipipeline是怎樣在兩個內核之間管理中斷的，在後面文章中介紹。

Tags: x86 xenomai

【原創】X86下ipipe接管中斷/異常

X86 ipipe接管中斷/異常

一、回顧

二、X86 linux異常中斷處理

1. 中斷門及IDT

2. 初始化門描述符

2.1 早期異常處理

2.2 start_kernel中的異常向量初始化一

2.3 idtentry宏（DB異常為例）

2.4 start_kernel中的異常初始化二-trap_init()

2.5 初始中斷門描述符

2.5.1 IRQ

2.5.2 early_irq_init

2.5.3 init_IRQ

三、linux x86_64中斷/異常處理總結

四、ipipe接管中斷處理

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2.1 早期異常處理

2.2 start_kernel中的異常向量初始化一

2.3 idtentry宏（DB異常為例）

2.4 start_kernel中的異常初始化二-trap_init()

2.5 初始中斷門描述符

2.5.1 IRQ

2.5.2 early_irq_init

2.5.3 init_IRQ

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四、ipipe接管中斷處理

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