从IRQ到IRQL(APIC版)

事实上，老久的PIC在很早以前就被淘汰了，取而代之的是APIC。由于APIC可以兼容PIC，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，是为了解决IRQ太少和处理器间中断而产生的，当然，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，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，IRQL的概念已经可以通过中断向量的形式被APIC支持。事实上，因为被APIC所支持，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'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，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，而IO APIC是系统芯片组中一部分，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，以及由该处理器产生的处理器间中断，并从APIC串行总线接收来自IO APIC的消息；IO APIC负责接收所有外部的硬件中断，并翻译成消息选择发给接收中断的处理器，以及从本地APIC接收处理器间中断消息。 

和PIC一样，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，Intel把本地APIC和IO APIC的寄存器都映射到了物理地址空间，本地APIC默认映射到物理地址0xfee00000，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，把IO APIC映射到虚拟地址0xffd06000，也就是说对该地址的读写实际就是对寄存器的读写，本地APIC里几个重要的寄存有EOI寄存器，任务优先级寄存器(TPR)，处理器优先级寄存器(PPR)，中断命令寄存器(ICR，64位)，中断请求寄存器(IRR，256位，对应每个向量一位)，中断在服务寄存器(ISR，256位)等。IO APIC里几个重要的寄存器有版本寄存器，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，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，每一个表项是一个64位寄存器，包括向量和目标模式、传输模式等相关位，每一个表项连接一条IRQ线，表项的数目随处理器的版本而不一样，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，但Intel保留了0-15向量，可用的向量是16-255。并引进一个概念叫做任务优先级=中断向量/16，因为保留了16个向量，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，所有优先级低于TPR中优先级的中断都被屏蔽，是不是很象IRQL的机制？事实上，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，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，但是因为有APIC的支持，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，用该优先级设置任务优先级寄存器TPR，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，还需要设置KPCR+0x95(0xffdff095)为DISPATCH_LEVEL(0x2)，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，表示中断结束，可以接收新中断。并还要判断要降到的IRQL是否小于DISPATCH_LEVEL，若小于则进一步判断KPCR+0x96(0xffdff096)是否置位，若置位则表示有DPC中断在等待(在IRQL高于DISPATCH_LEVEL被引发，然后等待直到IRQL降到低于DISPATCH_LEVEL)，则将KPCR+0x95和KPCR+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：把要降到的IRQL转换成任务优先级设置TRP，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，把当前IRQL转成任务优先级修改TPR，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，APIC通过产生一个发向自己的处理器间中断，就可以产生一个软中断，因为可以指定该中断的向量，所以软中断就可以区分优先级别，如APC_LEVEL、DISPATCH_LEVEL。产生软中断的函数一样还是HalRequestSoftwareInterrupt，该函数会先判断KPCR+0x95是否和要产生的软中断IRQL一样，若是的话则置位KPCR+0x96并返回，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，并或上0x4000，表示是发向自身的固定处理间中断，并用该值设置中断命令寄存器ICW的低32位，然后读取中断命令寄存器ICW的低32位是否为0x1000，确定中断消息已经发送后就返回，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： 

#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： 

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，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，在我虚拟机里SCSI Controller的IRQ是17(注意，已经大于16了)，到重定向表中查找第17项，得到中断向量为0xa3，再看IDT，0xa3对应处理例程是SCSIPORT!ScsiPortInterrupt。 

vBucket数组干啥用的？它就是用来分配新的向量。分配算法很简单，当要分配一个新的向量时，就在vBucket数组从右到左搜索最小的一个数i，该数对应在vBucket中索引为Index，新向量为(0x50+Index*16+i+1)，新向量对应的IRQL为(4+i+1)，同时会把vBucket中这个i加1，i不等大于16。象给出的这个vBucket，下一次计算时i=2， index=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，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，象上面给出的例子中，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，既对驱动开发者隐藏了底层中断机制，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，很大程度上也来自windows这套机制的借鉴。 

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