ARM Linux中斷機(jī)制之中斷處理

void __init early_trap_init(void)
{

//CONFIG_VECTORS_BASE在autoconf.h中定義(該文件自動成生)，值為0xffff0000,
unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
extern char __stubs_start[], __stubs_end[];
extern char __vectors_start[], __vectors_end[];
extern char __kuser_helper_start[], __kuser_helper_end[];
int kuser_sz = __kuser_helper_end - __kuser_helper_start；

/* 異常向量表拷貝到 0x0000_0000（或 0xFFFF_0000） ，
異常處理程序的 stub 拷貝到 0x0000_0200（或 0xFFFF_0200） */
memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);
memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);
memcpy((void *)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz);

/* 拷貝信號處理函數(shù) */
memcpy((void *)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
sizeof(sigreturn_codes));

/* 刷新 Cache，修改異常向量表占據(jù)的頁面的訪問權(quán)限*/

flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);
}

這個函數(shù)把定義在 arch/arm/kernel/entry-armv.S 中的異常向量表和異常處理程序的 stub 進(jìn)行
重定位：異常向量表拷貝到 0xFFFF_0000，異常向量處理程序的 stub 拷貝到 0xFFFF_0200。
然后調(diào)用 modify_domain()修改了異常向量表所占據(jù)的頁面的訪問權(quán)限，這使得用戶態(tài)無法
訪問該頁，只有核心態(tài)才可以訪問。

arm處理器發(fā)生異常時總會跳轉(zhuǎn)到 0xFFFF_0000（設(shè)為“高端向量配置”時）處的異常向量
表，因此進(jìn)行這個重定位工作。

異常向量表，在文件arch/arm/kernel/entry-armv.S 中

.equstubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start

.globl__vectors_start
__vectors_start:
swiSYS_ERROR0
bvector_und + stubs_offset//復(fù)位異常:
ldrpc, .LCvswi + stubs_offset//未定義指令異常:
bvector_pabt + stubs_offset//軟件中斷異常:
bvector_dabt + stubs_offset//數(shù)據(jù)異常:
bvector_addrexcptn + stubs_offset//保留:
bvector_irq + stubs_offset//普通中斷異常:
bvector_fiq + stubs_offset//快速中斷異常:

.globl__vectors_end
__vectors_end:

當(dāng) ARM 處理器發(fā)生異常（中斷是一種異常）時，會跳轉(zhuǎn)到異常向量表，在向量表中找到相應(yīng)的異常，并跳轉(zhuǎn)到

該異常處理程序處執(zhí)行。

stubs_offset,定義為__vectors_start + 0x200 - __stubs_start。

在中斷初始化函數(shù)early_trap_init()中向量表被拷到0xFFFF_0000處，異常處理程序段被拷到0xFFFF_0200處。

比如此時發(fā)生中斷異常bvector_irq + stubs_offset 將跳轉(zhuǎn)到中斷異常處理程序段去執(zhí)行，由于vector_irq，

在異常處理程序段__stubs_start到__stubs_end之間此時跳轉(zhuǎn)的位置將是__vectors_start + 0x200 + vector_irq - __stubs_start處。

異常處理程序段如下：

當(dāng) ARM 處理器發(fā)生異常（中斷是一種異常）時，會跳轉(zhuǎn)到異常向量表，在向量表中找到相應(yīng)的異常，并跳轉(zhuǎn)到

該異常處理程序處執(zhí)行，這些異常處理程序即是放在以下異常處理程序段中。

.globl__stubs_start
__stubs_start:

//vector_stub是一個宏，它代表有一段程序放在此處。irq, IRQ_MODE, 4是傳遞給宏vector_stub的參數(shù)。
vector_stubirq, IRQ_MODE, 4

//以下是跳轉(zhuǎn)表，在宏vector_stub代表的程序段中要用到該表來查找程序要跳轉(zhuǎn)的位置。

//如果在進(jìn)入終中斷時是用戶模式，則調(diào)用__irq_usr例程，如果為系統(tǒng)模式，則調(diào)用__irq_svc，如果是其他模式，則說明出錯了，

//則調(diào)用__irq_invalid。

.long__irq_usr@ 0 (USR_26 / USR_32)
.long__irq_invalid@ 1 (FIQ_26 / FIQ_32)
.long__irq_invalid@ 2 (IRQ_26 / IRQ_32)
.long__irq_svc@ 3 (SVC_26 / SVC_32)
.long__irq_invalid@ 4
.long__irq_invalid@ 5
.long__irq_invalid@ 6
.long__irq_invalid@ 7
.long__irq_invalid@ 8
.long__irq_invalid@ 9
.long__irq_invalid@ a
.long__irq_invalid@ b
.long__irq_invalid@ c
.long__irq_invalid@ d
.long__irq_invalid@ e
.long__irq_invalid@ f

vector_stubdabt, ABT_MODE, 8

.。。。。。。

vector_stubpabt, ABT_MODE, 4

。。。。。。

vector_stubund, UND_MODE

。。。。。。

vector_fiq:
disable_fiq
subspc, lr, #4

vector_addrexcptn:
bvector_addrexcptn
.align5

.LCvswi:
.wordvector_swi

.globl__stubs_end
__stubs_end:

宏vector_stub代表的程序段如下：name, mode, correction存儲傳入的參數(shù)之

.macrovector_stub, name, mode, correction=0
.align5

vector_name:
.if correction
sublr, lr, #correction//修正返回地址，也就是中斷處理完之后要執(zhí)行的指令的地址
.endif

@
@ Save r0, lr_ (parent PC) and spsr_
@ (parent CPSR)
@

///保存返回地址到堆棧，因?yàn)楹芸煲褂胷0寄存器，所以也要保存r0。sp后沒有！所以sp指向的位置并沒有變化。

stmiasp, {r0, lr}@ save r0, lr

mrslr, spsr
strlr, [sp, #8]@ save spsr

// 向上增長的棧。

// 此時的這個棧是中斷模式下的棧，ARM下中斷模式下和系統(tǒng)模式下的

// 棧是不同的。雖然ARM提供了七個模式，但Linux只使用了兩個，一

// 個是用戶模式，另一個為系統(tǒng)模式,所以這個棧只是一個臨時性的棧。

/*

在arch/arm/include/asm/ptrace.h中有處理器的七種工作模式的定義

#define USR_MODE0x00000010
#define FIQ_MODE0x00000011
#define IRQ_MODE0x00000012
#define SVC_MODE0x00000013
#define ABT_MODE0x00000017
#define UND_MODE0x0000001b
#define SYSTEM_MODE0x0000001f

*/
mrsr0, cpsr
eorr0, r0, #(mode ^ SVC_MODE)
msrspsr_cxsf, r0////把spsr設(shè)置為管理模式。//對spsr的所有控制為進(jìn)行寫操作,將r0的值全部注入spsr

@
@ the branch table must immediately follow this code
@
//andlr, lr, #0x0f// 這條指令之后lr中位spsr的低4位，上面跳轉(zhuǎn)表有16項(xiàng)就是對應(yīng)這16個狀態(tài)
//movr0, sp//用r0保存堆棧指針的地址

//在對這段程序分析時要記住這段程序是以宏vector_stub的形式放在跳轉(zhuǎn)表前面的。

//將跳轉(zhuǎn)表中對應(yīng)的地址條目存入lr。因?yàn)樘D(zhuǎn)表中每一個條目都是4個字節(jié)long，所以此處左移兩位
ldrlr, [pc, lr, lsl #2]

movspc, lr@ branch to handler in SVC mode//程序跳轉(zhuǎn)。
ENDPROC(vector_name)
.endm

在此我們以在用戶空間發(fā)生中斷異常為例，即程序跳轉(zhuǎn)到__irq_usr處。

.align5
__irq_usr:
usr_entry//usr_entry是一個宏代表一段程序插入此處，宏usr_entry所代表的程序段將在下面分析(1)

kuser_cmpxchg_check

#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
bltrace_hardirqs_off
#endif

//接著看get_thread_info， 它也是個宏,用來獲取當(dāng)前線程的地址。也將在后續(xù)分析。tsk存放的是線程結(jié)構(gòu)體的地址。

/*

線程結(jié)構(gòu)體原型如下在文件include/linux/sched.h中

struct thread_info {
struct task_struct*task;/* main task structure */
unsigned longflags;
struct exec_domain*exec_domain;/* execution domain */
intpreempt_count;/* 0 => preemptable, <0 => BUG */
__u32 cpu; /* should always be 0 on m68k */
struct restart_block restart_block;
};

*/
get_thread_info tsk(2)
#ifdef CONFIG_PREEMPT

//TI_PREEMPT在文件archarmkernelasm-offsets.c中定義是線程結(jié)構(gòu)體thread_info 的成員preempt_count在

//結(jié)構(gòu)體thread_info中的偏移

/*

內(nèi)核態(tài)可剝奪內(nèi)核，只有在 preempt_count 為 0 時， schedule() 才會被調(diào)用，其檢查
是否需要進(jìn)行進(jìn)程切換，需要的話就切換。

*/
ldrr8, [tsk, #TI_PREEMPT]//獲取preempt_count
addr7, r8, #1@ increment it//將該成員加一
strr7, [tsk, #TI_PREEMPT]//間改變后的值存入preempt_count
#endif

irq_handler//調(diào)用中斷操作函數(shù)，irq_handler是一個宏，在后續(xù)描述(3)
#ifdef CONFIG_PREEMPT
ldrr0, [tsk, #TI_PREEMPT]
strr8, [tsk, #TI_PREEMPT]
teqr0, r7
strner0, [r0, -r0]
#endif
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
bltrace_hardirqs_on
#endif

movwhy, #0//why在文件arch/arm/kernel/entry-header.S中定義為r8。:why.reqr8
bret_to_user//返回到用戶態(tài)，該宏在文件 linux/arch/arm/kernel/entry-common.S中定義。(4)
UNWIND(.fnend)
ENDPROC(__irq_usr)

下面分別對上面四處宏進(jìn)行分析。（usr_entry，get_thread_info tsk，irq_handler，ret_to_user）

(1)

.macrousr_entry
UNWIND(.fnstart)
UNWIND(.cantunwind)@ dont unwind the user space

//S_FRAME_SIZE在文件archarmkernelasm-offsets.c中定義表示 寄存器結(jié)構(gòu)體pt_regs的大小結(jié)構(gòu)體

//pt_regs中有 r0~cpsr 18個寄存器即72個字節(jié)。
subsp, sp, #S_FRAME_SIZE//為寄存器pt_regs結(jié)構(gòu)體建立堆?？臻g，讓堆棧指針sp 指向r0 。

//stmib為存儲前加，所以此處留出了用于存儲r0的空間，將r1 - r12存入堆棧。sp后沒加！

//所以sp指向的堆棧位置沒有變，一直指向用于存儲r0的存儲空間。

stmibsp, {r1 - r12}

//將中斷前r0，lr，spsr的值取出存放在r1 - r3中，此時的r0是作為堆棧的sp在使用的。

//它的值是指向中斷前r0的值在堆棧中存放的位置。在寄存器結(jié)構(gòu)體pt_regs在堆棧中的位置上面。

ldmiar0, {r1 - r3}

//S_PC即是pt_regs中的PC寄存器位置，讓r0指向該位置。雖然S_PC還沒有存入堆棧但它在堆棧中的位置存在
addr0, sp, #S_PC

movr4, #-1//在r4中放入一個無效值。

strr1, [sp]//r1中存放的是中斷前r0的值，此時將該值存入堆棧，上面已解釋過在堆棧中流出r0的位置的問題。

//此時r2-r4存放的是中斷前的lr， spsr的值和無效之。

//此時將這些值存入pt_regs中寄存器在堆棧中對應(yīng)的位置，即此時將中斷前的lr， spsr的值和無效之

//存入寄存器結(jié)構(gòu)體pt_regs的ARM_pc，ARM_cpsr，ARM_ORIG_r0中。
stmiar0, {r2 - r4}
stmdbr0, {sp, lr}^//stmdb是遞減取值，將ARM_lr，ARM_sp存入lr，sp中。

alignment_trap r0

//宏zero_fp在文件arch/arm/kernel/entry-header.S中定義，清零fp。
zero_fp
.endm

上面的提到的struct pt_regs，在include/asm/ptrace.h中定義

struct pt_regs {
long uregs[18];
};

#define ARM_cpsruregs[16]
#define ARM_pcuregs[15]
#define ARM_lruregs[14]
#define ARM_spuregs[13]
#define ARM_ipuregs[12]
#define ARM_fpuregs[11]
#define ARM_r10uregs[10]
#define ARM_r9uregs[9]
#define ARM_r8uregs[8]
#define ARM_r7uregs[7]
#define ARM_r6uregs[6]
#define ARM_r5uregs[5]
#define ARM_r4uregs[4]
#define ARM_r3uregs[3]
#define ARM_r2uregs[2]
#define ARM_r1uregs[1]
#define ARM_r0uregs[0]
#define ARM_ORIG_r0uregs[17]

(2)

//宏macroget_thread_info在文件arch/arm/kernel/entry-header.S中定義。用來獲取當(dāng)前線程的地址。

/*

include/linux/sched.h中：

union thread_union {

struct thread_info thread_info; // 線程屬性

unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]; // 棧

};

由它定義的線程是8K字節(jié)對齊的， 并且在這8K的最低地址處存放的就是thread_info對象，即該棧擁有者線程的對象，而get_thread_info就是通過把sp低13位清0(8K邊 界)來獲取當(dāng)前thread_info對象的地址。

THREAD_SIZE在文件arch/arm/include/asm/thread_info.h中定義：#define THREAD_SIZE8192

*/

.macroget_thread_info, rd
movrd, sp, lsr #13
movrd, rd, lsl #13
.endm

(3)

//宏irq_handler文件arch/arm/kernel/entry-armv.S中定義：

.macroirq_handler

//宏get_irqnr_preamble是一個空操作，在文件 arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/entry-macro.S中定義
get_irqnr_preamble r5, lr

//宏get_irqnr_and_base通過讀取寄存器INTPND來獲得中斷號。在該宏中獲取的一些參量將存于這些寄存器中r0, r6, r5, lr。

//宏get_irqnr_and_base定義在文件 arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/entry-macro.S，這個宏后續(xù)講到。
1:get_irqnr_and_base r0, r6, r5, lr
movner1, sp
@
@ routine called with r0 = irq number, r1 = struct pt_regs *
@
adrnelr, 1b

/*

// 通過上面的宏get_irqnr_and_base為調(diào)用asm_do_IRQ準(zhǔn)備了參數(shù)中斷號。

于是調(diào)用asm_do_IRQ來處理中斷。函數(shù)asm_do_IRQ()是中斷處理函數(shù)的C語言入口。此函數(shù)將在后續(xù)討論。

函數(shù)asm_do_IRQ()在文件linux/arch/arm/kernel/irq.c中實(shí)現(xiàn)。

*/
bneasm_do_IRQ

#ifdef CONFIG_SMP
。。。。。。

#endif

.endm

get_irqnr_and_base是平臺相關(guān)的，這個宏查詢ISPR(IRQ掛起中斷服務(wù)寄存器，當(dāng)有需要處理的中斷時，這個寄存器的相應(yīng)位會置位，任意時刻，最多一個位會置位)，計(jì)算出的中斷號放在irqnr指定的寄存器中；這個宏在不同的ARM芯片上是不一樣的，這個宏主要作用在于就是獲得發(fā)生中斷的中斷號，對于s3c2440，代碼在arch/arm/mach-s3c2410/include/entry-macro.S里，該宏處理完后，r0 = 中斷號。

.macroget_irqnr_and_base, irqnr, irqstat, base, tmp

movbase, #S3C24XX_VA_IRQ

@@ try the interrupt offset register, since it is there

ldrirqstat, [ base, #INTPND ]
teqirqstat, #0
beq1002f
ldrirqnr, [ base, #INTOFFSET ]
movtmp, #1
tstirqstat, tmp, lsl irqnr
bne1001f

@@ the number specified is not a valid irq, so try
@@ and work it out for ourselves

movirqnr, #0@@ start here

@@ work out which irq (if any) we got

movstmp, irqstat, lsl#16
addeqirqnr, irqnr, #16
moveqirqstat, irqstat, lsr#16
tstirqstat, #0xff
addeqirqnr, irqnr, #8
moveqirqstat, irqstat, lsr#8
tstirqstat, #0xf
addeqirqnr, irqnr, #4
moveqirqstat, irqstat, lsr#4
tstirqstat, #0x3
addeqirqnr, irqnr, #2
moveqirqstat, irqstat, lsr#2
tstirqstat, #0x1
addeqirqnr, irqnr, #1

@@ we have the value
1001:
addsirqnr, irqnr, #IRQ_EINT0
1002:
@@ exit here, Z flag unset if IRQ

.endm

(4)

宏ret_to_user在文件arch/arm/kernel/entry-common.S下定義：

ENTRY(ret_to_user)
ret_slow_syscall:
disable_irq//禁止中斷
ldrr1, [tsk, #TI_FLAGS]//獲取線程結(jié)構(gòu)體thread_union的flags成員
tstr1, #_TIF_WORK_MASK//判斷task是否被阻塞
bnework_pending //根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)程的切換，該段代碼在下面講述。
no_work_pending://不需要進(jìn)程切換
/* perform architecture specific actions before user return */
arch_ret_to_user r1, lr

@ slow_restore_user_regs
ldrr1, [sp, #S_PSR]@ get calling cpsr
ldrlr, [sp, #S_PC]!@ get pc
msrspsr_cxsf, r1@ save in spsr_svc //// spsr里保存好被中斷代碼處的狀態(tài)(cpsp)
ldmdbsp, {r0 - lr}^//恢復(fù)中斷前寄存器的值恢復(fù)到各個寄存器。
movr0, r0
addsp, sp, #S_FRAME_SIZE - S_PC
movspc, lr//返回用戶態(tài)
ENDPROC(ret_to_user)

在arch/arm/kernel/entry-common.S中

work_pending:
tstr1, #_TIF_NEED_RESCHED//判斷是否需要調(diào)度進(jìn)程
bnework_resched//進(jìn)程調(diào)度
tstr1, #_TIF_SIGPENDING
beqno_work_pending//無需調(diào)度，返回
movr0, sp@ regs
movr2, why@ syscall
bldo_notify_resume
bret_slow_syscall@ Check work again

work_resched:
blschedule//調(diào)用進(jìn)程切換函數(shù)。

這里只講了在用戶模式下的中斷處理，在內(nèi)核模式下的處理方式也大抵相仿，就不再贅言了。

中斷處理函數(shù)的C語言入口

asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
{
struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);

irq_enter();//進(jìn)入中斷上下文

if (irq >= NR_IRQS)
handle_bad_irq(irq, &bad_irq_desc);
else
generic_handle_irq(irq);//根據(jù)中斷號獲取中斷描述結(jié)構(gòu)體，并調(diào)用其中斷處理函數(shù)。

irq_finish(irq);//退出中斷上下文

irq_exit();
set_irq_regs(old_regs);
}

//函數(shù)generic_handle_irq()是函數(shù)generic_handle_irq_desc()的包裝。

static inline void generic_handle_irq(unsigned int irq)
{
generic_handle_irq_desc(irq, irq_to_desc(irq));
}

/*

如果實(shí)現(xiàn)了上層中斷處理函數(shù)desc->handle_irq就調(diào)用它，實(shí)際上在中斷處理函數(shù)s3c24xx_init_irq()中已為每一個

中斷線分配了一個上層中斷處理函數(shù)。

如果desc->handle_irq為空就調(diào)用通用中斷處理函數(shù)__do_IRQ(irq);，在干函數(shù)中調(diào)用了函數(shù)handle_IRQ_event()，

在函數(shù)handle_IRQ_event()中執(zhí)行了該條中斷線上的每一個中斷例程。

*/

static inline void generic_handle_irq_desc(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
#ifdef CONFIG_GENERIC_HARDIRQS_NO__DO_IRQ
desc->handle_irq(irq, desc);
#else
if (likely(desc->handle_irq))
desc->handle_irq(irq, desc);
else
__do_IRQ(irq);
#endif
}