linux-2.6.26内核中ARM中断实现详解

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 char *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)，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(bit[13])控制。V和中断向量表的对应关系如下：

V=0 ～ 0x00000000~0x0000001C

V=1 ～ 0xffff0000~0xffff001C

arch/arm/mm/proc-arm920.S中

.section ".text.init", #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 - __vectors_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_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_pa^ + stubs_offset //软件中断异常:

b vector_da^ + 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 __vectors_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_pa^、vector_irq、vector_fiq都在它们中间。

stubs_offset值如下：

.equ stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start

stubs_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，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.S中也是这样定义的。

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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_ERROR0

b vector_und + stubs_offset

ldr pc, .LCvswi + stubs_offset

b vector_pa^ + stubs_offset

b vector_da^ + stubs_offset

b vector_addrexcptn + stubs_offset

b vector_IRq + 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 __irq_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 5

vector_nAME:

.if correction

sub lr, lr, #correction

.endif

@

@ Save r0, lr_ (parent PC) and spsr_

@ (parent CPSR)

@

stmia sp, {r0, lr} @ save r0, lr

mrs lr, spsr

str lr, [sp, #8] @ save spsr

@

@ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled.

@

mrs r0, cpsr

eor 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 IRQ_MODE 0x00000012

@#define SVC_MODE 0x00000013

@#define ABT_MODE 0x00000017

@#define UND_MODE 0x0000001b

@#define SYSTEM_MODE 0x0000001f

mov r0, sp

ldr 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_svc

movs 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 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, correction”，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_IRQFLAGS

bl trace_hardirqs_off

#endif

get_thread_info tsk @获取当前进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 count

add r7, r8, #1 @ increment it

str r7, [tsk, #TI_PREEMPT]

#endif

irq_handler @中断处理，我们最关心的地方，3.4节有实现过程。

#ifdef CONFIG_PREEMPT

ldr r0, [tsk, #TI_PREEMPT]

str r8, [tsk, #TI_PREEMPT]

teq r0, r7

strne r0, [r0, -r0]

#endif

#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS

bl trace_hardirqs_on

#endif

mov why, #0

b 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_entry

sub sp, sp, #S_frame_SIZE @ S_FRAME_SIZE的值在archarmkernelasm-offsets.c

@ 中定义 DEFINE(S_FRAME_SIZE, sizeof(struct pt_regs));实际上等于72

stmib sp, {r1 - r12}

ldmia r0, {r1 - r3}

add r0, sp, #S_PC @ here for interlock avoidance

mov 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:[page]

@

@ r2 - lr_, already fixed up for correct return/restart

@ r3 - spsr_

@ r4 - orig_r0 (see pt_regs definition in ptrace.h)

@

@ Also, separately save sp_usr and lr_usr

@

stmia r0, {r2 - r4}

stmdb r0, {sp, lr}^

@

@ Enable the alignment trap while in kernel mode

@

alignment_trap r0

@

@ Clear FP to mark the first stack frame

@

zero_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include/asm/ptrace.h中定义。此时sp指向struct pt_regs。

struct pt_regs {

long uregs[18];

};

#define ARM_cpsr uregs[16]

#define ARM_pc uregs[15]

#define ARM_lr uregs[14]

#define ARM_sp uregs[13]

#define ARM_ip uregs[12]

#define ARM_fp uregs[11]

#define ARM_r10 uregs[10]

#define ARM_r9 uregs[9]

#define ARM_r8 uregs[8]

#define ARM_r7 uregs[7]

#define ARM_r6 uregs[6]

#define ARM_r5 uregs[5]

#define ARM_r4 uregs[4]

#define ARM_r3 uregs[3]

#define ARM_r2 uregs[2]

#define ARM_r1 uregs[1]

#define ARM_r0 uregs[0]

#define ARM_ORIG_r0 uregs[17]

3.4 irq_handler的实现过程，archarmkernelentry-armv.S

.macro irq_handler

get_irqnr_preamble r5, lr

@在include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s中定义了宏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, 1b

bne asm_do_IRQ @进入中断处理。

……

.endm

3.5 get_irqnr_and_base中断号判断过程，include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s

.macro get_irqnr_and_base, irqnr, irqstat, base, tmp

mov base, #S3C24XX_VA_IRQ

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

ldr irqstat, [ base, #INTPND ]

teq irqstat, #0

beq 1002f

ldr irqnr, [ base, #INTOFFSET ] @通过判断INTOFFSET寄存器得到中断位置

mov tmp, #1

tst irqstat, tmp, lsl irqnr

bne 1001f

@@ the number specified is not a valid irq, so try

@@ and work it out for ourselves

mov irqnr, #0 @@ start here

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

movs tmp, irqstat, lsl#16

addeq irqnr, irqnr, #16

moveq irqstat, irqstat, lsr#16

tst irqstat, #0xff

addeq irqnr, irqnr, #8

moveq irqstat, irqstat, lsr#8

tst irqstat, #0xf

addeq irqnr, irqnr, #4

moveq irqstat, irqstat, lsr#4

tst irqstat, #0x3

addeq irqnr, irqnr, #2

moveq irqstat, irqstat, lsr#2

tst irqstat, #0x1

addeq irqnr, irqnr, #1

@@ we have the value

1001:

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号是不等的。

1002:

@@ exit here, Z flag unset if IRQ

.endm

3.6 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 randomly 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(unsigned 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 extern "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：

[page]

#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节中的ret_to_user 中断返回过程，/arch/arm/kernel/entry-common.S

ENTRY(ret_to_user)

ret_slow_syscall:

disable_irq @ disable interrupts

ldr r1, [tsk, #TI_FLAGS]

tst r1, #_TIF_WORK_MASK

bne work_pending

no_work_pending:

/* perform. architecture specific actions before user return */

arch_ret_to_user r1, lr

@ slow_restore_user_regs

ldr r1, [sp, #S_PSR] @ get calling cpsr

ldr lr, [sp, #S_PC]! @ get pc

msr spsr_cxsf, r1 @ save in spsr_svc

ldmdb sp, {r0 - lr}^ @ get calling r0 - lr

mov r0, r0

add sp, sp, #S_FRAME_SIZE - S_PC

movs 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。