设置APIC中断服务

5.10 初始化中断处理系统

start_kernel接下来要做的事是初始化中断处理系统。整个内核的中断系统的核心就是我们在“初始化中断描述符表”里面设置的那个中断描述符表。而这个表的前19个表项我们已经在“初始化异常服务”中设置为了一些中断和异常的服务。内核接下来会如何设置其余的表项呢？

 

前面提到过高级可编程中断控制器APIC，这里简单地提一下它的体系结构，简单地说就是由两部分组成：本地高级中断控制器（Local APIC，LAPIC），位于每个CPU中，主要负责传递中断信号到指定的处理器中；I/O高级中断控制器（I/O APIC，）负责搜集来自I/O设备的中断信号并分发给LAPIC，形成一个多级APIC中断分发网络。

 

接下来的大部分初始化工作都将围绕着LAPIC和IOAPIC这两个东西进行。

 

5.10.1 设置APIC中断服务

回到start_kernel，由于我们没有配置CONFIG_SPARSE_IRQ，所以605行的early_irq_init()函数是个空函数。606行，调用init_IRQ函数，其本质上是调用x86_init.irqs.intr_init函数，也就是前面“拷贝可用内存区信息”的那个x86_init中看到的那个native_init_IRQ函数，用来初始化LAPIC：

 

235void __init native_init_IRQ(void)  236{  237        int i;  238  239        /* Execute any quirks before the call gates are initialised: */  240        x86_init.irqs.pre_vector_init();  241  242        apic_intr_init();  243  244        /*  245         * Cover the whole vector space, no vector can escape  246         * us. (some of these will be overridden and become  247         * 'special' SMP interrupts)  248         */  249        for (i = FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i < NR_VECTORS; i++) {  250                /* IA32_SYSCALL_VECTOR could be used in trap_init already. */  251                if (!test_bit(i, used_vectors))  252                        set_intr_gate(i, interrupt[i-FIRST_EXTERNAL_VECTOR]);  253        }  254  255        if (!acpi_ioapic)  256                setup_irq(2, &irq2);  257  258#ifdef CONFIG_X86_32  259        /*  260         * External FPU? Set up irq13 if so, for  261         * original braindamaged IBM FERR coupling.  262         */  263        if (boot_cpu_data.hard_math && !cpu_has_fpu)  264                setup_irq(FPU_IRQ, &fpu_irq);  265  266        irq_ctx_init(smp_processor_id());  267#endif  268}

 

该函数初始化中断向量表中前面一些我们没有设置的表项，首先是240，调用x86_init.irqs.pre_vector_init函数，也就是init_ISA_irqs函数：

 

101void __init init_ISA_irqs(void)  102{  103        int i;  104  105#if defined(CONFIG_X86_64) || defined(CONFIG_X86_LOCAL_APIC)  106        init_bsp_APIC();  107#endif  108        legacy_pic->init(0);  109  110        /*  111         * 16 old-style INTA-cycle interrupts:  112         */  113        for (i = 0; i < legacy_pic->nr_legacy_irqs; i++) {  114                struct irq_desc *desc = irq_to_desc(i);  115  116                desc->status = IRQ_DISABLED;  117                desc->action = NULL;  118                desc->depth = 1;  119  120                set_irq_chip_and_handler_name(i, &i8259A_chip,  121                                              handle_level_irq, "XT");  122        }  123}

 

106行，由于我们配置了CONFIG_X86_LOCAL_APIC，所以首先调用init_bsp_APIC函数来配置本地LAPIC芯片。该函数调用apic_read或apic_write调用全局变量apic的read和write方法。先说说这个全局变量apic的数据结构，其代表一块LAPIC控制器芯片，于arch/x86/include/asm/apic.h文件中定义：

 

struct apic {        char *name;          int (*probe)(void);        int (*acpi_madt_oem_check)(char *oem_id, char *oem_table_id);        int (*apic_id_registered)(void);   ……          /* apic ops */        u32 (*read)(u32 reg);        void (*write)(u32 reg, u32 v);        u64 (*icr_read)(void);        void (*icr_write)(u32 low, u32 high);        void (*wait_icr_idle)(void);        u32 (*safe_wait_icr_idle)(void); };

 

而全局变量apic在文件arch/x86/kernel/apic/probe_32.c文件中被定义成：

struct apic *apic = &apic_default;

于是乎，编译vmlinux的时候，apic_default就成为了该变量实际的值：

 

struct apic apic_default = {          .name                           = "default",        .probe                          = probe_default,        .acpi_madt_oem_check         = NULL,        .apic_id_registered        = default_apic_id_registered,   ……          .read                            = native_apic_mem_read,        .write                           = native_apic_mem_write,        .icr_read                = native_apic_icr_read,        .icr_write                     = native_apic_icr_write,        .wait_icr_idle                = native_apic_wait_icr_idle,        .safe_wait_icr_idle        = native_safe_apic_wait_icr_idle, };

 

我们看到，init_bsp_APIC函数实际上调用native_apic_mem_read和native_apic_mem_write等方法。回到init_ISA_irqs中，108行又是一个全局变量，legacy_pic：

struct legacy_pic *legacy_pic = &default_legacy_pic;

其值被初始化成了default_legacy_pic：

 

struct legacy_pic default_legacy_pic = {        .nr_legacy_irqs = NR_IRQS_LEGACY,        .chip  = &i8259A_chip,        .mask_all  = mask_8259A,        .restore_mask = unmask_8259A,        .init = init_8259A,        .irq_pending = i8259A_irq_pending,        .make_irq = make_8259A_irq, };   struct legacy_pic *legacy_pic = &default_legacy_pic;

 

我们熟悉的8259A中断控制器芯片就是这个default_legacy_pic，所以init_ISA_irqs的108行是调用该芯片的初始化函数init_8259A, 初始化了8259A的一些硬件状态，保证8259A能够正常工作：

 

static void init_8259A(int auto_eoi) {        unsigned long flags;          i8259A_auto_eoi = auto_eoi;          raw_spin_lock_irqsave(&i8259A_lock, flags);          outb(0xff, PIC_MASTER_IMR);  /* mask all of 8259A-1 */        outb(0xff, PIC_SLAVE_IMR);     /* mask all of 8259A-2 */          /*         * outb_pic - this has to work on a wide range of PC hardware.         */        outb_pic(0x11, PIC_MASTER_CMD); /* ICW1: select 8259A-1 init */          /* ICW2: 8259A-1 IR0-7 mapped to 0x30-0x37 on x86-64,           to 0x20-0x27 on i386 */        outb_pic(IRQ0_VECTOR, PIC_MASTER_IMR);          /* 8259A-1 (the master) has a slave on IR2 */        outb_pic(1U << PIC_CASCADE_IR, PIC_MASTER_IMR);          if (auto_eoi)   /* master does Auto EOI */               outb_pic(MASTER_ICW4_DEFAULT | PIC_ICW4_AEOI, PIC_MASTER_IMR);        else         /* master expects normal EOI */               outb_pic(MASTER_ICW4_DEFAULT, PIC_MASTER_IMR);          outb_pic(0x11, PIC_SLAVE_CMD);    /* ICW1: select 8259A-2 init */          /* ICW2: 8259A-2 IR0-7 mapped to IRQ8_VECTOR */        outb_pic(IRQ8_VECTOR, PIC_SLAVE_IMR);        /* 8259A-2 is a slave on master's IR2 */        outb_pic(PIC_CASCADE_IR, PIC_SLAVE_IMR);        /* (slave's support for AEOI in flat mode is to be investigated) */        outb_pic(SLAVE_ICW4_DEFAULT, PIC_SLAVE_IMR);          if (auto_eoi)               /*                * In AEOI mode we just have to mask the interrupt                * when acking.                */               i8259A_chip.mask_ack = disable_8259A_irq;        else               i8259A_chip.mask_ack = mask_and_ack_8259A;          udelay(100);          /* wait for 8259A to initialize */          outb(cached_master_mask, PIC_MASTER_IMR); /* restore master IRQ mask */        outb(cached_slave_mask, PIC_SLAVE_IMR);       /* restore slave IRQ mask */          raw_spin_unlock_irqrestore(&i8259A_lock, flags); }

 

函数具体内容我就不详细分析了，无非是些outb或者outb_pic通过这个芯片所占用的总线端口对它进行初始化。回到init_ISA_irqs，113行，刚才看见nr_legacy_irqs为 NR_IRQS_LEGACY，也就是16次循环，将全局irq_desc[irq]数组的16个irq_desc元素进行初始化；然后16次通过set_irq_chip_and_handler_name函数将每个irq_desc的chip字段通过set_irq_chip设置成全局变量i8259A_chip，以及将每个irq_desc的handle_irq和name字段通过__set_irq_handler分别设置为handle_level_irq和” XT”。

 

回到native_init_IRQ中，随后242行调用apic_intr_init()函数：

 

202static void __init apic_intr_init(void)  203{  204        smp_intr_init();  205  206#ifdef CONFIG_X86_THERMAL_VECTOR  207        alloc_intr_gate(THERMAL_APIC_VECTOR, thermal_interrupt);  208#endif  209#ifdef CONFIG_X86_MCE_THRESHOLD  210        alloc_intr_gate(THRESHOLD_APIC_VECTOR, threshold_interrupt);  211#endif  212#if defined(CONFIG_X86_MCE) && defined(CONFIG_X86_LOCAL_APIC)  213        alloc_intr_gate(MCE_SELF_VECTOR, mce_self_interrupt);  214#endif  215  216#if defined(CONFIG_X86_64) || defined(CONFIG_X86_LOCAL_APIC)  217        /* self generated IPI for local APIC timer */  218        alloc_intr_gate(LOCAL_TIMER_VECTOR, apic_timer_interrupt);  219  220        /* IPI for X86 platform specific use */  221        alloc_intr_gate(X86_PLATFORM_IPI_VECTOR, x86_platform_ipi);  222  223        /* IPI vectors for APIC spurious and error interrupts */  224        alloc_intr_gate(SPURIOUS_APIC_VECTOR, spurious_interrupt);  225        alloc_intr_gate(ERROR_APIC_VECTOR, error_interrupt);  226  227        /* Performance monitoring interrupts: */  228# ifdef CONFIG_PERF_EVENTS  229        alloc_intr_gate(LOCAL_PENDING_VECTOR, perf_pending_interrupt);  230# endif  231  232#endif  233}

 

smp_intr_init()函数，32位x86体系中是一个空函数。后面206～229设置中断描述符表中APIC相关的中断服务层序，也就是把位于32~255之间，除去系统调用外其他中断向量的中断处理程序设置为interrupt[i]。interrupt共有NR_VECTORS-FIRST_EXTERNAL_VECTOR个表项：

#define NR_VECTORS               256

#define FIRST_EXTERNAL_VECTOR              0x20  //32

并且interrupt数组在arch/x86/kernel/entry_32.S中定义并初始化：

 

823.section .init.rodata,"a"  824ENTRY(interrupt)  825.text  826        .p2align 5  827        .p2align CONFIG_X86_L1_CACHE_SHIFT  828ENTRY(irq_entries_start)  829        RING0_INT_FRAME  830vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR  831.rept (NR_VECTORS-FIRST_EXTERNAL_VECTOR+6)/7  832        .balign 32  833  .rept 7  834    .if vector < NR_VECTORS  835      .if vector <> FIRST_EXTERNAL_VECTOR  836        CFI_ADJUST_CFA_OFFSET -4  837      .endif  8381:      pushl $(~vector+0x80)   /* Note: always in signed byte range */  839        CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4  840      .if ((vector-FIRST_EXTERNAL_VECTOR)%7) <> 6  841        jmp 2f  842      .endif  843      .previous  844        .long 1b  845      .text  846vector=vector+1  847    .endif  848  .endr  8492:      jmp common_interrupt  850.endr  851END(irq_entries_start)  852  853.previous  854END(interrupt)

 

看到上面的代码，从824到854行都属于数据段中，看到828~851之间的代码，虽然表面上看上去它们是分隔开的，但是实际上编译之后会在数据段中一块连续的区域中。我们看到从831行~850行，执行循环NR_VECTORS-FIRST_EXTERNAL_VECTOR+6次，也就是说是256-32+6=230次，那么代码展开后，这段数据的内容就类似于：

ENTRY(interrupt)

      .long 1b

      .long 1b

      .long 1b

……

即构成225个项的interrupt[]数组，每个元素占64位，也就是8个字节。我们看到每个元素都是1b，即上面代码1标号后的代码片段：

pushl $(~vector+0x80)

CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4

.if ((vector-FIRST_EXTERNAL_VECTOR)%7) <> 6

       jmp 2f

.endif

 

因此，都会执行代码2标号的那个common_interrupt，其参数为push进去的~vector+0x80。举个例子，比如中断向量32，即IRQ0，对应的中断处理程序interrupt[0]是

pushl $(~0 + 0x80)

CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4

jmp common_interrupt

 

至于common_interrupt随后如何执行，具体的细节请查阅博客“中断处理（续）” http://blog.csdn.net/yunsongice/archive/2010/03/07/5353896.aspx。

 

那么在native_init_IRQ设置好了中断描述符表的32~256项之后，也就是interrupt[]的0到224元素作为其处理函数之后，我们就可以设置它了。所以看到随后255、256行，在没有配置CONFIG_ACPI，也就是说，没有启动ACPI控制器的情况下，调用老式的setup_irq函数把2号IRQ设置成一个空函数。263、264行，调用setup_irq函数把13号IRQ设置成FPU容错处理函数：

int setup_irq(unsigned int irq, struct irqaction *act)

{

       struct irq_desc *desc = irq_to_desc(irq);

       return __setup_irq(irq, desc, act);

}

 

__setup_irq本质上就是通过irq号得到对应的irq_desc描述符。然后调用__setup_irq()函数初始化它和irqaction，并把这个描述符插入到合适的IRQ链表。具体的代码内容比较多，我就不一一分析了，对上述过程还想深入研究得可以去浏览一下博客“中断处理（续）” http://blog.csdn.net/yunsongice/archive/2010/03/07/5353896.aspx。

 

最后，由于我们没有配置CONFIG_4KSTACKS编译选项，所以native_init_IRQ的最后一个函数irq_ctx_init是空函数，那么native_init_IRQ结束后，整个init_IRQ函数就结束了，APIC和各本地PIC的相关的中断服务就算初始化完毕了。此时，内核全局变量irq_desc[]数组的16个元素的chip字段都是i8259A_chip；handle_irq字段是handle_level_irq；name字段为“XT”；同时，interrupt[]数组的每一个元素作为中断描述符表表项32~255的服务程序，且仅有interrupt[2]和interrupt[13]分别被初始化成了一个空的处理函数no_action和一个FPU容错函数math_error_irq，其余服务程序都还没有被初始化。