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,
2、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
3、 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
4、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(bit13)控制。V 和中断向量表的对应关系如下：V=0 0x000000000x0000001CV=1 0xffff00000xffff001C
5、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(
6、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
7、/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_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 ve
8、ctor_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_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
9、）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
10、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 ir
11、q_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。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_pab
12、t + stubs_offsetb vector_dabt + stubs_offsetb vector_addrexcptn + stubs_offsetb 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
13、_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
14、 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 5vector_name:.if correctionsub lr, lr, #co
15、rrection.endif Save r0, lr_ (parent PC) and spsr_ (parent CPSR)stmia sp, r0, lr save r0, lrmrs 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 codeand
16、 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 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
17、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 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
18、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:u
19、sr_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,
20、 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_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 u
21、sr 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_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 copie
22、d 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/restart 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 t
23、rap 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include/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
24、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 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
25、_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
26、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, irqstat, base, tmpmov base, #S3C24XX_VA_IRQ try the interrupt offset register, since it is thereldr irqstat, base, #INTPND teq irqstat, #0beq 1002fl
27、dr 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 work it out for ourselvesmov irqnr, #0 start here work out which irq (if any) we gotmovs tmp, irqstat, lsl#16addeq irqnr, irqnr, #16moveq irqstat, i
28、rqstat, lsr#16tst irqstat, #0xffaddeq irqnr, irqnr, #8moveq irqstat, irqstat, lsr#8tst irqstat, #0xfaddeq irqnr, irqnr, #4moveq irqstat, irqstat, lsr#4tst irqstat, #0x3addeq irqnr, irqnr, #2moveq irqstat, irqstat, lsr#2tst irqstat, #0x1addeq irqnr, irqnr, #1 we have the value1001:adds irqnr, irqnr,
29、#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.endm3.6 asm_do_IRQ 实现过程，arch/arm/kernel/irq.c asmlinkage void _exception asm_do_IRQ(unsigned int irq
30、, 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 = irq_enter();/没做什么特别的工作，可以跳过不看 desc_handle_irq(irq,
31、 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
32、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
33、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
34、_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_regsldr 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 - lr
35、mov r0, r0add sp, sp, #S_FRAME_SIZE - S_PCmovs pc, lr return /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，注册时提供struct proc_dir_entry *dir; /指向 IRQn 相关的/proc/
36、irq/n 目录的描述符;在注册中断号为 irq 的中断服务程序时，系统会根据注册参数封装相应的irqaction 结构体。并把中 断号为 irq 的 irqaction 结构体写入 irq_desc irq-action。这样就把设备的中断请求号与该设备的中断服务例程irqaction 联系在一起了。样当 CPU 接收到中断请求后，就可 以根据中断号通过 irq_desc 找到该设备的中断服务程序。 4.2 中断共享的处理模型共享中断的不同设备的 iqraction 结构体都会添加进该中断号对应的 irq_desc结构体的 action 成员所指向的 irqaction 链表内。当内核发生中
37、断时，它会依次调用该链表内所有的 handler 函数。因此，若驱动程序需要使用共享中 断机制，其中断处理函数必须有能力识别是否是自己的硬件产生了中断。通常是通过读取该硬件设备提供的中断 flag 标志位进行判断。也就是说不是任何设备都 可以做为中断共享源的，它必须能够通过的它的中断 flag 判断出是否发生了中断。中断共享的注册方法是：int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,IRQF_SHARED, const char *devname, void *dev_id) 很多权威资料中都提到，中断共享注册时的注册函数中的
38、dev_id 参数是必不可少的，并且 dev_id 的值必须唯一。那么这里提供唯一的 dev_id 值的究竟是做什么用的？ 根据我们前面中断模型的知识，可以看出发生中断时，内核并不判断究竟是共享中断线上的哪个设备产生了中断，它会循环 执行所有该中断线上注册的中断处理函数（即 irqaction-handler 函数）。因此 irqaction-handler 函数有责 任识别出是否是自己的硬件设备产生了中断，然后再执行该中断处理函数。通常是通过读取该硬件设备提供的中断 flag 标志位进行判断。那既然 kernel循 环执行该中断线上注册的所有 irqaction-handler 函数，把识别
39、究竟是哪个硬件设备产生了中断这件事交给中断处理函数本身去做，那 request_irq 的dev_id 参数究竟是做什么用的？ 很多资料中都建议将设备结构指针作为 dev_id 参数。在中断到来时，迅速地根据硬件寄存器中的信息比照传入的 dev_id 参数判断是否是本设备的中断，若不是，应迅速返回。这样的说法没有问题，也是我们编程时都遵循的方法。但事实上并不能够说明为什么中断共享必 须要设置 dev_id。 下面解释一下 dev_id 参数为什么必须的，而且是必须唯一的。 当调用 free_irq 注销中断处理函数时（通常卸载驱动时其中断处理函数也会被注销掉），因为 dev_id 是唯一 的，
40、所以可以通过它来判断从共享中断线上的多个中断处理程序中删除指定的一个。如果没有这个参数，那么 kernel 不可能知道给定的中断线上到底要删除哪 一个处理程序。注销函数定义在 Kernel/irq/manage.c 中定义： void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)五、S3C2410 子中断的注册的实现 5.1 S3C2410 子中断注册问题的提出参看 3.5 节中判断中断号的方法，可以看到只是通过 S3C2410 中断控制器中的INTOFFSET 寄存器来判断的。对于 INTPND 中的EINT4_7、EINT8_23、INT_UART0、I
41、NT_ADC 等带有子中断的向量，INTOFFSET无法判断出具体的中断号。平台留给我们的注册方法如下： 在 include/asm/arch/irqs.h 中有类似如下定义：/* interrupts generated from the external interrupts sources */#define IRQ_EINT4 S3C2410_IRQ(32) /* 48 */#define IRQ_EINT5 S3C2410_IRQ(33)#define IRQ_EINT6 S3C2410_IRQ(34)#define IRQ_EINT7 S3C2410_IRQ(35)#define
42、IRQ_EINT8 S3C2410_IRQ(36)#define IRQ_EINT9 S3C2410_IRQ(37)#define IRQ_EINT10 S3C2410_IRQ(38)#define IRQ_EINT11 S3C2410_IRQ(39)#define IRQ_EINT12 S3C2410_IRQ(40)#define IRQ_EINT13 S3C2410_IRQ(41)#define IRQ_EINT14 S3C2410_IRQ(42)#define IRQ_EINT15 S3C2410_IRQ(43)#define IRQ_EINT16 S3C2410_IRQ(44)#def
43、ine IRQ_EINT17 S3C2410_IRQ(45)#define IRQ_EINT18 S3C2410_IRQ(46)#define IRQ_EINT19 S3C2410_IRQ(47)#define IRQ_EINT20 S3C2410_IRQ(48) /* 64 */#define IRQ_EINT21 S3C2410_IRQ(49)#define IRQ_EINT22 S3C2410_IRQ(50)#define IRQ_EINT23 S3C2410_IRQ(51) 可以看到平台为每种子中断都定义了中断号，如果你想实现 EINT10 的中断注册，直接按照 IRQ_EINT10
44、这个中断号注册都可以了。那么平台代码是如何实现这部分中断注册的呢？ 5.2 S3C2410 子中断注册问题的解决 /*arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c*/void _init s3c24xx_init_irq(void) set_irq_chained_handler(IRQ_EINT4t7, s3c_irq_demux_extint4t7);set_irq_chained_handler(IRQ_EINT8t23, s3c_irq_demux_extint8);set_irq_chained_handler(IRQ_UART0, s3c_irq_demux_uart0)
45、;set_irq_chained_handler(IRQ_UART1, s3c_irq_demux_uart1);set_irq_chained_handler(IRQ_UART2, s3c_irq_demux_uart2);set_irq_chained_handler(IRQ_ADCPARENT, s3c_irq_demux_adc); 平台在初始化时会调用到 s3c24xx_init_irq，在此函数中实现了对EINT4_7、EINT8_23、INT_UART0、INT_ADC 等中断的注册。下面看看这些带有子中断的中断号对应的处理函数的内容。以 IRQ_EINT4t7 为例，其它情况类
46、似。/*arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c*/s3c_irq_demux_extint4t7(unsigned int irq,struct irq_desc *desc)unsigned long eintpnd = _raw_readl(S3C24XX_EINTPEND);unsigned long eintmsk = _raw_readl(S3C24XX_EINTMASK);eintpnd eintpnd /* only lower irqs */* eintpnd 中可以有多个位同时置 1，这一点和 intpnd 的只能有 1 个位置1 是不一样的 */while
47、(eintpnd) /循环执行所有置位的子中断 irq = _ffs(eintpnd); /算出第一个不为 0 的位，类似 arm v5后的 clz 前导 0 的作用 eintpnd /清除相应的位 irq += (IRQ_EINT4 - 4);/算出对应的中断号desc_handle_irq(irq, irq_desc + irq);/执行对应子中断的注册函数 从上面的函数可以看出子中断是如何注册及被调用到的。有人可能会问为何不在 include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s 文件中 get_irqnr_and_base 函数判断中断号时，直接算出对应的子中断号，就可以直接找到子中断处理了呢？原因是: get_irqnr_and_base 是平台给系统提供的函数，对于多个子中断同时置位的情况无法通过一个值返回（因为子中断中，如 eintpnd 是可以多个位同时置位的）。而 intpnd 则没有这个问题。
