Linux APIC 详细分析

现代的APIC

APIC虽号称现代，但也出现10几年了，PC机市场总是很晚才能接触到新的技术，前面说了，我的T42用的还是PIC呢。APIC相较于PIC来说，最大的优点是能适用于MP平台，当然，管脚多是它另一个优点。APIC由两部分组成，一个称为LAPIC（Local APIC，本地高级中断控制器），一个称为IOAPIC（I/O APCI，I/O高级中断控制器）。前者位于CPU中，在MP平台，每个CPU都有一个自己的LAPIC。后者通常位于南桥上，像PIC一样，连接各个产生中断的设备。在一个典型的具有多个处理器的PC平台，通常有一个IOAPIC和多个LAPIC，它们相互配合，形成一个中断的分发网络，图1-3显示了这个典型的情况：

 

图1-3 APIC模式（摘自《深入理解Linux内核》）

图中的中断控制器通信总线，是IOAPIC和LAPIC通信的桥梁，在Intel的P6架构和Pentium系列CPU中，它是一条单独的APIC总线。时代在进步，Pentium4和Xeon系列CPU出现后，APIC Bus已经不存在，系统的前端总线代替了它。

1.2.1 IOAPIC

话分两头，让我们先来看看IOAPIC。和PIC对比，IOAPIC最大的作用在于中断分发。根据其内部的PRT（Programmable Redirection Table）表，IOAPIC可以格式化出一条中断消息，发送给某个CPU的LAPIC，由LAPIC通知CPU进行处理。目前典型的IOAPIC具有24个中断管脚，每个管脚对应一个RTE（Redirection Table Entry，PRT表项）。与PIC不同的是，IOAPIC的管脚没有优先级，也就是说，连接在管脚上的设备是平等的。但这并不意味着APIC系统中没有硬件优先级。设备的中断优先级由它对应的vector决定，APIC将优先级控制的功能放到了LAPIC中，我们在后面会看到。

要搞清楚IOAPIC是怎么工作的，PRT表是关键，下表列出了RTE的格式：

Bit	描述
63:56	Destination Field，目的字段，R/W（可读写）。根据Destination Filed（见下）值的不同，该字段值的意义不同，它有两个意义： Physical Mode（Destination Mode为0时）： 其值为APIC ID，用于标识一个唯一的APIC。 Logical Mode（Destination Mode为1时）：其值根据LAPIC的不同配置，代表一组CPU（具体见LAPIC相关内容）
55:17	Reserved，预留未用。
16	Interrupt Mask，中断屏蔽位，R/W。置一时，对应的中断管脚被屏蔽，这时产生的中断将被忽略。清零时，对应管脚产生的中断被发送至LAPIC。
15	Trigger Mode，触发模式，R/W。指明该管脚的的中断由什么方式触发。 1：Level，电平触发 2：Edge，边沿触发
14	Remote IRR，远程IRR，RO（只读）。只对level触发的中断有效，当该中断是edge触发时，该值代表的意义未定义。 当中断是level触发时，LAPIC接收了该中断，该位置一，LAPIC写EOI时，该位清零。
13	Interrupt Input Pin Polarity（INTPOL），中断管脚的极性，R/W。指定该管脚的有效电平是高电平还是低电平。 0：高电平 1：低电平
12	Delivery Status，传送状态，RO。 0：IDEL，当前没有中断 1：Send Pending，IOAPIC已经收到该中断，但由于某种原因该中断还未发送给LAPIC 笔者：某种原因，例如IOAPIC没有竞争到总线
11	Destination Mode，目的地模式，R/W。 0：Physical Mode，解释见Destination Field 1：Logical Mode，同上
10:8	Delivery Mode，传送模式，R/W。用于指定该中断以何种方式发送给目的APIC，各种模式需要和相应的触发方式配合。可选的模式如下，字段相应的值以二进制表示： Fixed： 000b，发送给Destination Filed列出的所有CPU，level、edge触发均可。 Lowest Priority：001b，发送给Destination Filed列出的CPU中，优先级最低的CPU（CPU的优先级见LAPIC相关内容）。Level、edge均可 SMI：010b，System Management Interrupt，系统管理中断。只能为edge触发，并且vector字段写0 NMI：100b，None Mask Interrupt，不可屏蔽中断。发送给Destination Field列出的所有CPU，Vector字段值被忽略。NMI是edge触发，Trigger Mode字段中的值对NMI无影响，但建议配置成edge。 INIT：101b，发送给Destination Filed列出的所有CPU，LAPIC收到后执行INIT中断（详细信息参考相关CPU spec中INIT中断一节）。触发模式同NMI。 ExtINT：111b，发送给Destination Filed列出的所有CPU。CPU收到该中断后，认为这是一个PIC发送的中断请求，并回应INTA信号（该INTA脚连接到的是与该管脚相连的PIC上，而非IOAPIC上） 笔者：ExtINT用于PIC接在APIC上的情况，见后面的Virtual Wire Mode
7:0	Interrupt Vector，中断向量，R/W。指定该中断对应的vector，范围从10h到FEh（x86架构前16个vector被系统预留，见后面相关内容）

表1-1 RTE格式

当IOAPIC某个管脚接收到中断信号后，会根据该管脚对应的RTE，格式化出一条中断消息，发送给某个CPU的LAPIC。从上表我们可以看出，该消息包含了一个中断的所有信息。

题外话 —— Remote IRR有什么用？

Bluesky_jxc同学曾经问我为啥Remote IRR对edge触发无用？我说可能是实现相关吧。嗯，通常解释不清楚的问题都可以推到实现相关的头上。这个问题可以画3个等号：“Remote IRR有何用？” == “为什么edge触发不用Remote IRR？” == “为什么level触发的EOI要广播到所有IOAPIC？”

这确实是个实现问题，Intel公司的P.K.Nizar等人在《Multi-Processor Computer System With Interrupt Controllers Providing Remote Reading》中论述了这个问题。这是一篇讲早期APIC系统电路设计的文章，那时还不叫APIC，而是MPIC（Multi-PIC），扯远了。

Remote IRR实际应该叫“Monitor Remote IRR”，用于监控对应中断管脚的状态。它与中断管脚INTIN#以异或的逻辑驱动IOAPIC的消息单元。异或结果为1时，发送消息。消息分两种：level-assert和level-deassert。当Remote IRR为0，INTIN#为1，发送level-assert消息，LAPIC收到后将IRR对应bit置一。Remote IRR为1，INTIN#为0，发送level-deassert消息，LAPIC收到后将IRR对应bit清零。

Remote IRR还可以保证level触发中断共享情况下，CPU服务完所有中断。

举个例子，有两个PCI设备（Dev A、Dev B）共享一个中断管脚INTIN1，Dev A先把管脚拉至有效电平（INTIN1为1），Dev B在一段时间后也同样动作（此时Dev A仍然在有效电平）。当INTIN1由0跳变到1时，其对应的Remote IRR bit为0。IOAPIC发送Level Assert消息通知中断发生，Remote IRR置1。当CPU处理完Dev A的中断后，发送EOI到IOAPIC。此时Remote IRR清0，由于Dev B的中断还没处理，INTIN1仍然为1，故又一条中断消息产生。在所有中断处理完后，INTIN1清0，Remote IRR为1，发送level-deassert消息，LAPIC清零IRR对应bit。此时INTIN1对应的中断全部处理完。在LAPIC为Dev B写EOI时，Remote IRR清零。当CPU正在处理中断时，INT1为1，Remote IRR为1，没有中断消息。

对于edge触发中断，由于中断管脚不会一直处于有效电平，故不需要Remote IRR。EOI广播的原因，上面的论述已有暗示，不废话了。