arm linux内核中ARM中断实现详解prt.docx

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1、linux-2.6.26内核中ARM中断实现详解（1） 作者：刘洪涛，华清远见嵌入式学院金牌讲师，ARM ATC授权培训讲师。看了一些网络上关于linux中断实现的文章，感觉有一些写的非常好，在这里首先感谢他们的无私付出，然后也想再补充自己对一些问题的理解。先从函数注册引出问题吧。一、中断注册方法在linux内核中用于申请中断的函数是request_irq（），函数原型在Kernel/irq/manage.c中定义：int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long irqflags, const cha

2、r *devname, void *dev_id)irq是要申请的硬件中断号。handler是向系统注册的中断处理函数，是一个回调函数，中断发生时，系统调用这个函数，dev_id参数将被传递给它。irqflags是中断处理的属性，若设置了IRQF_DISABLED （老版本中的SA_INTERRUPT，本版zhon已经不支持了），则表示中断处理程序是快速处理程序，快速处理程序被调用时屏蔽所有中断，慢速处理程 序不屏蔽；若设置了IRQF_SHARED （老版本中的SA_SHIRQ），则表示多个设备共享中断，若设置了IRQF_SAMPLE_RANDOM（老版本中的 SA_SAMPLE_RANDOM

3、），表示对系统熵有贡献，对系统获取随机数有好处。（这几个flag是可以通过或的方式同时使用的）dev_id在中断共享时会用到，一般设置为这个设备的设备结构体或者NULL。devname设置中断名称，在cat /proc/interrupts中可以看到此名称。request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中断号无效或处理函数指针为NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。关于中断注册的例子，大家可在内核中搜索下request_irq。在编写驱动的过程中，比较容易产生疑惑的地方是：1、中断向量表在什么位置？是如何建立的？ 2、从中断开始，系统是怎样执行到我自己注册的函

4、数的？ 3、中断号是如何确定的？对于硬件上有子中断的中断号如何确定？ 4、中断共享是怎么回事，dev_id的作用是？本文以2.6.26内核和S3C2410处理器为例，为大家讲解这几个问题。二、异常向量表的建立在ARM V4及V4T以后的大部分处理器中，中断向量表的位置可以有两个位置：一个是0，另一个是0xffff0000。可以通过CP15协处理器c1寄存器中V位(bit13)控制。V和中断向量表的对应关系如下：V=0 0x000000000x0000001C V=1 0xffff00000xffff001Carch/arm/mm/proc-arm920.S中.section .text.ini

5、t, #alloc, #execinstr _arm920_setup: orr r0, r0, #0x2100 .1. .1 .11 .1/bit13=1 中断向量表基址为0xFFFF0000。R0的值将被付给CP15的C1.在linux中，向量表建立的函数为：init/main.c-start_kernel()-trap_init()void _init trap_init(void) unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE; memcpy(void *)vectors, _vectors_start, _vectors_end - _vec

6、tors_start); memcpy(void *)vectors + 0x200, _stubs_start, _stubs_end - _stubs_start); . 在2.6.26内核中CONFIG_VECTORS_BASE最初是在各个平台的配置文件中设定的，如：arch/arm/configs/s3c2410_defconfig中CONFIG_VECTORS_BASE=0xffff0000_vectors_end 至 _vectors_start之间为异常向量表。位于arch/arm/kernel/entry-armv.S.globl _vectors_start_vectors_

7、start: swi SYS_ERROR0: b vector_und + stubs_offset /复位异常: ldr pc, .LCvswi + stubs_offset /未定义指令异常: b vector_pabt + stubs_offset /软件中断异常: b vector_dabt + stubs_offset /数据异常: b vector_addrexcptn + stubs_offset /保留: b vector_irq + stubs_offset /普通中断异常: b vector_fiq + stubs_offset /快速中断异常: .globl _vecto

8、rs_end:_vectors_end:_stubs_end 至 _stubs_start之间是异常处理的位置。也位于文件arch/arm/kernel/entry-armv.S中。vector_und、vector_pabt、vector_irq、vector_fiq都在它们中间。stubs_offset值如下：.equ stubs_offset, _vectors_start + 0x200 - _stubs_startstubs_offset是如何确定的呢？（引用网络上的一段比较详细的解释）当汇编器看到B指令后会把要跳转的标签转化为相对于当前PC的偏移量（32M）写入指令码。从上面的代码

9、可以看到中断向量表和stubs都发生了 代码搬移，所以如果中断向量表中仍然写成b vector_irq，那么实际执行的时候就无法跳转到搬移后的vector_irq处，因为指令码里写的是原来的偏移量，所以需要把指令码中的偏移量写 成搬移后的。我们把搬移前的中断向量表中的irq入口地址记irq_PC,它在中断向量表的偏移量就是irq_PC-vectors_start, vector_irq在stubs中的偏移量是vector_irq-stubs_start，这两个偏移量在搬移前后是不变的。搬移后 vectors_start在0xffff0000处，而stubs_start在0xffff0200处，

10、所以搬移后的vector_irq相对于中断 向量中的中断入口地址的偏移量就是，200+vector_irq在stubs中的偏移量再减去中断入口在向量表中的偏移量，即200+ vector_irq-stubs_start-irq_PC+vectors_start = (vector_irq-irq_PC) + vectors_start+200-stubs_start,对于括号内的值实际上就是中断向量表中写的vector_irq，减去irq_PC是由汇 编器完成的，而后面的 vectors_start+200-stubs_start就应该是stubs_offset，实际上在entry-armv.

11、S中也是这样定义的。三、中断处理过程 这一节将以S3C2410为例，描述linux-2.6.26内核中，从中断开始，中断是如何一步一步执行到我们注册函数的。 3.1 中断向量表 archarmkernelentry-armv.S_vectors_start:swi SYS_ERROR0b vector_und + stubs_offsetldr pc, .LCvswi + stubs_offsetb vector_pabt + stubs_offsetb vector_dabt + stubs_offsetb vector_addrexcptn + stubs_offsetb vector_i

12、rq + stubs_offset b vector_fiq + stubs_offset.globl _vectors_end_vectors_end:中断发生后，跳转到b vector_irq + stubs_offset的位置执行。注意现在的向量表的初始位置是0xffff0000。 3.2 中断跳转的入口位置 archarmkernelentry-armv.S.globl _stubs_start_stubs_start: /* * Interrupt dispatcher*/vector_stub irq, IRQ_MODE, 4 IRQ_MODE在includeasmptrace.h

13、中定义：0x12.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 _i

14、rq_invalid b.long _irq_invalid c.long _irq_invalid d.long _irq_invalid e.long _irq_invalid f上面代码中vector_stub宏的定义为： .macro vector_stub, name, mode, correction=0.align 5vector_name:.if correctionsub lr, lr, #correction.endif Save r0, lr_ (parent PC) and spsr_ (parent CPSR)stmia sp, r0, lr save r0, lrm

15、rs lr, spsrstr lr, sp, #8 save spsr Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled.mrs r0, cpsreor r0, r0, #(mode SVC_MODE)msr spsr_cxsf, r0 为后面进入svc模式做准备 the branch table must immediately follow this code and lr, lr, #0x0f 进入中断前的mode的后4位 #define USR_MODE 0x00000010#define FIQ_MODE 0x00000011#define I

16、RQ_MODE 0x00000012#define SVC_MODE 0x00000013#define ABT_MODE 0x00000017#define UND_MODE 0x0000001b#define SYSTEM_MODE 0x0000001fmov r0, spldr lr, pc, lr, lsl #2 如果进入中断前是usr，则取出PC+4*0的内容，即_irq_usr如果进入中断前是svc，则取出PC+4*3的内容，即_irq_svcmovs pc, lr 当指令的目标寄存器是PC，且指令以S结束，则它会把 spsr的值恢复给cpsr branch to handler

17、in SVC mode.endm.globl _stubs_start_stubs_start:/* Interrupt dispatcher*/vector_stub irq, IRQ_MODE, 4.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)用“irq, IRQ_MODE, 4”代替宏vector_stub中的“name, mode, correct

18、ion”，找到了我们中断处理的入口位置为vector_irq（宏里面的vector_name）。 从上面代码中的注释可以看出，根据进入中断前的工作模式不同，程序下一步将跳转到_irq_usr 、或_irq_svc等位置。我们先选择_irq_usr作为下一步跟踪的目标。 3.3 _irq_usr的实现 archarmkernelentry-armv.S_irq_usr:usr_entry 后面有解释 kuser_cmpxchg_check#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGSbl trace_hardirqs_off#endifget_thread_info tsk 获取当前进

19、程的进程描述符中的成员变量thread_info的地址，并将该地址保存到寄存器tsk等于r9（在entry-header.S中定义）#ifdef CONFIG_PREEMPT/如果定义了抢占，增加抢占数值 ldr r8, tsk, #TI_PREEMPT get preempt countadd r7, r8, #1 increment itstr r7, tsk, #TI_PREEMPT#endifirq_handler 中断处理，我们最关心的地方，3.4节有实现过程。 #ifdef CONFIG_PREEMPTldr r0, tsk, #TI_PREEMPTstr r8, tsk, #TI

20、_PREEMPTteq r0, r7strne r0, r0, -r0#endif#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGSbl trace_hardirqs_on#endifmov why, #0b ret_to_user 中断处理完成，返回中断产生的位置，3.7节有实现过程 上面代码中的usr_entry是一个宏，主要实现了将usr模式下的寄存器、中断返回地址保存到堆栈中。.macro usr_entrysub sp, sp, #S_FRAME_SIZE S_FRAME_SIZE的值在archarmkernelasm-offsets.c 中定义 DEFINE(S_FRAME_

21、SIZE, sizeof(struct pt_regs);实际上等于72stmib sp, r1 - r12ldmia r0, r1 - r3add r0, sp, #S_PC here for interlock avoidancemov r4, #-1 str r1, sp save the real r0 copied from the exception stack We are now ready to fill in the remaining blanks on the stack: r2 - lr_, already fixed up for correct return/re

22、start r3 - spsr_ r4 - orig_r0 (see pt_regs definition in ptrace.h) Also, separately save sp_usr and lr_usrstmia r0, r2 - r4stmdb r0, sp, lr Enable the alignment trap while in kernel modealignment_trap r0 Clear FP to mark the first stack framezero_fp.endm上面的这段代码主要在填充结构体pt_regs ，这里提到的struct pt_regs，在i

23、nclude/asm/ptrace.h中定义。此时sp指向struct pt_regs。 struct pt_regs long uregs18;#define ARM_cpsr uregs16#define ARM_pc uregs15#define ARM_lr uregs14#define ARM_sp uregs13#define ARM_ip uregs12#define ARM_fp uregs11#define ARM_r10 uregs10#define ARM_r9 uregs9#define ARM_r8 uregs8#define ARM_r7 uregs7#define

24、 ARM_r6 uregs6#define ARM_r5 uregs5#define ARM_r4 uregs4#define ARM_r3 uregs3#define ARM_r2 uregs2#define ARM_r1 uregs1#define ARM_r0 uregs0#define ARM_ORIG_r0 uregs173.4 irq_handler的实现过程，archarmkernelentry-armv.S.macro irq_handlerget_irqnr_preamble r5, lr在include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s中定义了宏

25、get_irqnr_preamble为空操作，什么都不做1: get_irqnr_and_base r0, r6, r5, lr 判断中断号，通过R0返回，3.5节有实现过程 movne r1, sp routine called with r0 = irq number, r1 = struct pt_regs *adrne lr, 1bbne asm_do_IRQ 进入中断处理。 .endm3.5 get_irqnr_and_base中断号判断过程，include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s.macro get_irqnr_and_base, irqnr,

26、 irqstat, base, tmpmov base, #S3C24XX_VA_IRQ try the interrupt offset register, since it is thereldr irqstat, base, #INTPND teq irqstat, #0beq 1002fldr irqnr, base, #INTOFFSET 通过判断INTOFFSET寄存器得到中断位置 mov tmp, #1tst irqstat, tmp, lsl irqnrbne 1001f the number specified is not a valid irq, so try and w

27、ork it out for ourselvesmov irqnr, #0 start here work out which irq (if any) we gotmovs tmp, irqstat, lsl#16addeq irqnr, irqnr, #16moveq irqstat, irqstat, lsr#16tst irqstat, #0xffaddeq irqnr, irqnr, #8moveq irqstat, irqstat, lsr#8tst irqstat, #0xfaddeq irqnr, irqnr, #4moveq irqstat, irqstat, lsr#4ts

28、t irqstat, #0x3addeq irqnr, irqnr, #2moveq irqstat, irqstat, lsr#2tst irqstat, #0x1addeq irqnr, irqnr, #1 we have the value1001:adds irqnr, irqnr, #IRQ_EINT0 加上中断号的基准 数值，得到最终的中断号，注意：此时没有考虑子中断的具体情况，（子中断的问题后面会有讲解）。IRQ_EINT0在include/asm/arch- s3c2410/irqs.h中定义.从这里可以看出，中断号的具体值是有平台相关的代码决定的，和硬件中断挂起寄存器中的中断

29、号是不等的。 1002: exit here, Z flag unset if IRQ.endm3.6 asm_do_IRQ实现过程，arch/arm/kernel/irq.c asmlinkage void _exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);struct irq_desc *desc = irq_desc + irq;/根据中断号找到对应的irq_desc/* Some hardware gives randoml

30、y wrong interrupts. Rather* than crashing, do something sensible.*/if (irq = NR_IRQS)desc = &bad_irq_desc;irq_enter();/没做什么特别的工作，可以跳过不看 desc_handle_irq(irq, desc);/ 根据中断号和desc进入中断处理 /* AT91 specific workaround */irq_finish(irq);irq_exit();set_irq_regs(old_regs);static inline void desc_handle_irq(uns

31、igned int irq, struct irq_desc *desc)desc-handle_irq(irq, desc);/中断处理 上述asmlinkage void _exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)使用了asmlinkage标识。那么这个标识的含义如何理解呢？ 该符号定义在kernel/include/linux/linkage.h中，如下所示： #include /各个具体处理器在此文件中定义asmlinkage#ifdef _cplusplus#define CPP_ASMLINKAGE e

32、xtern C#else#define CPP_ASMLINKAGE#endif#ifndef asmlinkage/如果以前没有定义asmlinkage#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE#endif对于ARM处理器的，没有定义asmlinkage，所以没有意义（不要以为参数是从堆栈传递的，对于ARM平台来说还是符合ATPCS过程调用标准，通过寄存器传递的）。 但对于X86处理器的中是这样定义的：#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE _attribute_(regparm(0)表示函数的参数传递是通过堆栈完成的。3.7 描述3.3节

33、中的ret_to_user 中断返回过程，/arch/arm/kernel/entry-common.SENTRY(ret_to_user)ret_slow_syscall:disable_irq disable interruptsldr r1, tsk, #TI_FLAGStst r1, #_TIF_WORK_MASKbne work_pendingno_work_pending:/* perform architecture specific actions before user return */arch_ret_to_user r1, lr slow_restore_user_re

34、gsldr r1, sp, #S_PSR get calling cpsrldr lr, sp, #S_PC! get pcmsr spsr_cxsf, r1 save in spsr_svcldmdb sp, r0 - lr get calling r0 - lrmov r0, r0add sp, sp, #S_FRAME_SIZE - S_PCmovs pc, lr return & move spsr_svc into cpsr第三章主要跟踪了从中断发生到调用到对应中断号的desc-handle_irq(irq, desc)中断函数的过程。后面的章节还会继续讲解后面的内容。四、中断处理模

35、型 要想弄清楚desc-handle_irq(irq, desc)和我们注册的中断有什么关联，就要了解中断处理模型了。 4.1 中断处理模型结构 中断处理模型如下图所示，其中NR_IRQS表示最大的中断号，在include/asm/arch/irq.h中定义。 irq_desc是一个指向irq_desc_t结构的数组， irq_desc_t结构是各个设备中断服务例程的描述符。Irq_desc_t结构体中的成员action指向该中断号对应的irqaction结构体 链表。Irqaction结构体定义在include/linux/interrupt.h中，如下：truct irqaction irq_handler_t handler; /中断处理函数，注册时提供unsigned long flags; /中断标志，注册时提供cpumask_t mask; /中断掩码const char *name; /中断名称void *dev_id; /设备id，本文后面部分介绍中断共享时会详细说明这个参数的作用struct irqaction *next; /如果有中断共享，则继续执行，int irq; /中断号，注