ARM Linux中断机制之中断处理
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void __init early_trap_init(void)
{
//CONFIG_VECTORS_BASE在autoconf.h中定义(该文件自动成生)，值为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；
/* 异常向量表拷贝到 0x0000_0000（或 0xFFFF_0000） ，
异常处理程序的 stub 拷贝到 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);
/* 拷贝信号处理函数 */
memcpy((void *)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
sizeof(sigreturn_codes));
/* 刷新 Cache，修改异常向量表占据的页面的访问权限*/
flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);
}
这个函数把定义在 arch/arm/kernel/entry-armv.S 中的异常向量表和异常处理程序的 stub 进行
重定位：异常向量表拷贝到 0xFFFF_0000，异常向量处理程序的 stub 拷贝到 0xFFFF_0200。
然后调用 modify_domain()修改了异常向量表所占据的页面的访问权限，这使得用户态无法
访问该页，只有核心态才可以访问。
arm处理器发生异常时总会跳转到 0xFFFF_0000（设为“高端向量配置”时）处的异常向量
表，因此进行这个重定位工作。
异常向量表，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//复位异常:
ldrpc, .LCvswi + stubs_offset//未定义指令异常:
bvector_pabt + stubs_offset//软件中断异常:
bvector_dabt + stubs_offset//数据异常:
bvector_addrexcptn + stubs_offset//保留:
bvector_irq + stubs_offset//普通中断异常:
bvector_fiq + stubs_offset//快速中断异常:
.globl__vectors_end
__vectors_end:
当 ARM 处理器发生异常（中断是一种异常）时，会跳转到异常向量表，在向量表中找到相应的异常，并跳转到
该异常处理程序处执行。
stubs_offset,定义为__vectors_start + 0x200 - __stubs_start。
在中断初始化函数early_trap_init()中向量表被拷到0xFFFF_0000处，异常处理程序段被拷到0xFFFF_0200处。
比如此时发生中断异常bvector_irq + stubs_offset 将跳转到中断异常处理程序段去执行，由于vector_irq，
在异常处理程序段__stubs_start到__stubs_end之间此时跳转的位置将是__vectors_start + 0x200 + vector_irq - __stubs_start处。
异常处理程序段如下：
当 ARM 处理器发生异常（中断是一种异常）时，会跳转到异常向量表，在向量表中找到相应的异常，并跳转到
该异常处理程序处执行，这些异常处理程序即是放在以下异常处理程序段中。
.globl__stubs_start
__stubs_start:
//vector_stub是一个宏，它代表有一段程序放在此处。irq, IRQ_MODE, 4是传递给宏vector_stub的参数。
vector_stubirq, IRQ_MODE, 4
//以下是跳转表，在宏vector_stub代表的程序段中要用到该表来查找程序要跳转的位置。
//如果在进入终中断时是用户模式，则调用__irq_usr例程，如果为系统模式，则调用__irq_svc，如果是其他模式，则说明出错了，
//则调用__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存储传入的参数之
.macrovector_stub, name, mode, correction=0
.align5
vector_name:
.if correction
sublr, lr, #correction//修正返回地址，也就是中断处理完之后要执行的指令的地址
.endif
@
@ Save r0, lr_
@ (parent CPSR)
@
///保存返回地址到堆栈，因为很快要使用r0寄存器，所以也要保存r0。sp后没有！所以sp指向的位置并没有变化。
stmiasp, {r0, lr}@ save r0, lr
mrslr, spsr
strlr, [sp, #8]@ save spsr
// 向上增长的栈。
// 此时的这个栈是中断模式下的栈，ARM下中断模式下和系统模式下的
// 栈是不同的。虽然ARM提供了七个模式，但Linux只使用了两个，一
// 个是用户模式，另一个为系统模式,所以这个栈只是一个临时性的栈。
/*
在arch/arm/include/asm/ptrace.h中有处理器的七种工作模式的定义
#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设置为管理模式。//对spsr的所有控制为进行写操作,将r0的值全部注入spsr
@
@ the branch table must immediately follow this code
@
//andlr, lr, #0x0f// 这条指令之后lr中位spsr的低4位，上面跳转表有16项就是对应这16个状态
//movr0, sp//用r0保存堆栈指针的地址
//在对这段程序分析时要记住这段程序是以宏vector_stub的形式放在跳转表前面的。
//将跳转表中对应的地址条目存入lr。因为跳转表中每一个条目都是4个字节long，所以此处左移两位
ldrlr, [pc, lr, lsl #2]
movspc, lr@ branch to handler in SVC mode//程序跳转。
ENDPROC(vector_name)
.endm
在此我们以在用户空间发生中断异常为例，即程序跳转到__irq_usr处。
.align5
__irq_usr:
usr_entry//usr_entry是一个宏代表一段程序插入此处，宏usr_entry所代表的程序段将在下面分析(1)
kuser_cmpxchg_check
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
bltrace_hardirqs_off
#endif
//接着看get_thread_info， 它也是个宏,用来获取当前线程的地址。也将在后续分析。tsk存放的是线程结构体的地址。
/*
线程结构体原型如下在文件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中定义是线程结构体thread_info 的成员preempt_count在
//结构体thread_info中的偏移
/*
内核态可剥夺内核，只有在 preempt_count 为 0 时， schedule() 才会被调用，其检查
是否需要进行进程切换，需要的话就切换。
*/
ldrr8, [tsk, #TI_PREEMPT]//获取preempt_count
addr7, r8, #1@ increment it//将该成员加一
strr7, [tsk, #TI_PREEMPT]//间改变后的值存入preempt_count
#endif
irq_handler//调用中断操作函数，irq_handler是一个宏，在后续描述(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中定义为r8。:why.reqr8
bret_to_user//返回到用户态，该宏在文件 linux/arch/arm/kernel/entry-common.S中定义。(4)
UNWIND(.fnend)
ENDPROC(__irq_usr)
下面分别对上面四处宏进行分析。（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中定义表示 寄存器结构体pt_regs的大小结构体
//pt_regs中有 r0~cpsr 18个寄存器即72个字节。
subsp, sp, #S_FRAME_SIZE//为寄存器pt_regs结构体建立堆栈空间，让堆栈指针sp 指向r0 。
//stmib为存储前加，所以此处留出了用于存储r0的空间，将r1 - r12存入堆栈。sp后没加！
//所以sp指向的堆栈位置没有变，一直指向用于存储r0的存储空间。
stmibsp, {r1 - r12}
//将中断前r0，lr，spsr的值取出存放在r1 - r3中，此时的r0是作为堆栈的sp在使用的。
//它的值是指向中断前r0的值在堆栈中存放的位置。在寄存器结构体pt_regs在堆栈中的位置上面。
ldmiar0, {r1 - r3}
//S_PC即是pt_regs中的PC寄存器位置，让r0指向该位置。虽然S_PC还没有存入堆栈但它在堆栈中的位置存在
addr0, sp, #S_PC
movr4, #-1//在r4中放入一个无效值。
strr1, [sp]//r1中存放的是中断前r0的值，此时将该值存入堆栈，上面已解释过在堆栈中流出r0的位置的问题。
//此时r2-r4存放的是中断前的lr， spsr的值和无效之。
//此时将这些值存入pt_regs中寄存器在堆栈中对应的位置，即此时将中断前的lr， spsr的值和无效之
//存入寄存器结构体pt_regs的ARM_pc，ARM_cpsr，ARM_ORIG_r0中。
stmiar0, {r2 - r4}
stmdbr0, {sp, lr}^//stmdb是递减取值，将ARM_lr，ARM_sp存入lr，sp中。
alignment_trap r0
//宏zero_fp在文件arch/arm/kernel/entry-header.S中定义，清零fp。
zero_fp
.endm
上面的提到的struct pt_regs，在include/asm/ptrace.h中定义
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中定义。用来获取当前线程的地址。
/*
include/linux/sched.h中：
union thread_union {
struct thread_info thread_info; // 线程属性
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]; // 栈
};
由它定义的线程是8K字节对齐的， 并且在这8K的最低地址处存放的就是thread_info对象，即该栈拥有者线程的对象，而get_thread_info就是通过把sp低13位清0(8K边 界)来获取当前thread_info对象的地址。
THREAD_SIZE在文件arch/arm/include/asm/thread_info.h中定义：#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中定义：
.macroirq_handler
//宏get_irqnr_preamble是一个空操作，在文件 arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/entry-macro.S中定义
get_irqnr_preamble r5, lr
//宏get_irqnr_and_base通过读取寄存器INTPND来获得中断号。在该宏中获取的一些参量将存于这些寄存器中r0, r6, r5, lr。
//宏get_irqnr_and_base定义在文件 arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/entry-macro.S，这个宏后续讲到。
1:get_irqnr_and_base r0, r6, r5, lr
movner1, sp
@
@ routine called with r0 = irq number, r1 = struct pt_regs *
@
adrnelr, 1b
/*
// 通过上面的宏get_irqnr_and_base为调用asm_do_IRQ准备了参数中断号。
于是调用asm_do_IRQ来处理中断。函数asm_do_IRQ()是中断处理函数的C语言入口。此函数将在后续讨论。
函数asm_do_IRQ()在文件linux/arch/arm/kernel/irq.c中实现。
*/
bneasm_do_IRQ
#ifdef CONFIG_SMP
。。。。。。
#endif
.endm
get_irqnr_and_base是平台相关的，这个宏查询ISPR(IRQ挂起中断服务寄存器，当有需要处理的中断时，这个寄存器的相应位会置位，任意时刻，最多一个位会置位)，计算出的中断号放在irqnr指定的寄存器中；这个宏在不同的ARM芯片上是不一样的，这个宏主要作用在于就是获得发生中断的中断号，对于s3c2440，代码在arch/arm/mach-s3c2410/include/entry-macro.S里，该宏处理完后，r0 = 中断号。
.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下定义：
ENTRY(ret_to_user)
ret_slow_syscall:
disable_irq//禁止中断
ldrr1, [tsk, #TI_FLAGS]//获取线程结构体thread_union的flags成员
tstr1, #_TIF_WORK_MASK//判断task是否被阻塞
bnework_pending //根据需要进行进程的切换，该段代码在下面讲述。
no_work_pending://不需要进程切换
/* 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里保存好被中断代码处的状态(cpsp)
ldmdbsp, {r0 - lr}^//恢复中断前寄存器的值恢复到各个寄存器。
movr0, r0
addsp, sp, #S_FRAME_SIZE - S_PC
movspc, lr//返回用户态
ENDPROC(ret_to_user)
在arch/arm/kernel/entry-common.S中
work_pending:
tstr1, #_TIF_NEED_RESCHED//判断是否需要调度进程
bnework_resched//进程调度
tstr1, #_TIF_SIGPENDING
beqno_work_pending//无需调度，返回
movr0, sp@ regs
movr2, why@ syscall
bldo_notify_resume
bret_slow_syscall@ Check work again
work_resched:
blschedule//调用进程切换函数。
这里只讲了在用户模式下的中断处理，在内核模式下的处理方式也大抵相仿，就不再赘言了。
中断处理函数的C语言入口
asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
{
struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
irq_enter();//进入中断上下文
if (irq >= NR_IRQS)
handle_bad_irq(irq, &bad_irq_desc);
else
generic_handle_irq(irq);//根据中断号获取中断描述结构体，并调用其中断处理函数。
irq_finish(irq);//退出中断上下文
irq_exit();
set_irq_regs(old_regs);
}
//函数generic_handle_irq()是函数generic_handle_irq_desc()的包装。
static inline void generic_handle_irq(unsigned int irq)
{
generic_handle_irq_desc(irq, irq_to_desc(irq));
}
/*
如果实现了上层中断处理函数desc->handle_irq就调用它，实际上在中断处理函数s3c24xx_init_irq()中已为每一个
中断线分配了一个上层中断处理函数。
如果desc->handle_irq为空就调用通用中断处理函数__do_IRQ(irq);，在干函数中调用了函数handle_IRQ_event()，
在函数handle_IRQ_event()中执行了该条中断线上的每一个中断例程。
*/
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
}
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