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armlinux内核中ARM中断实现详解
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,ARMATC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:
intrequest_irq(unsignedintirq,irq_handler_thandler,
unsignedlongirqflags,constchar*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ARMV4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__inittrap_init(void)
{
unsignedlongvectors=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:
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:
__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:
.equstubs_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bvector_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。
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arch\arm\kernel\entry-armv.S
__vectors_start:
swiSYS_ERROR0
b vector_und+stubs_offset
ldrpc,.LCvswi+stubs_offset
b vector_pabt+stubs_offset
b vector_dabt+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bvector_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arch\arm\kernel\entry-armv.S
.globl __stubs_start
__stubs_start:
/*
*Interruptdispatcher
*/
vector_stub irq,IRQ_MODE,4@IRQ_MODE在include\asm\ptrace.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:
.macrovector_stub,name,mode,correction=0
.align5
vector_\name:
.if\correction
sublr,lr,#\correction
.endif
@
@Saver0,lr_
@(parentCPSR)
@
stmiasp,{r0,lr}@saver0,lr
mrslr,spsr
strlr,[sp,#8]@savespsr
@
@PrepareforSVC32mode.IRQsremaindisabled.
@
mrsr0,cpsr
eorr0,r0,#(\mode^SVC_MODE)
msrspsr_cxsf,r0@为后面进入svc模式做准备
@
@thebranchtablemustimmediatelyfollowthiscode
@
andlr,lr,#0x0f@进入中断前的mode的后4位
@#defineUSR_MODE0x00000010
@#defineFIQ_MODE0x00000011
@#defineIRQ_MODE0x00000012
@#defineSVC_MODE0x00000013
@#defineABT_MODE0x00000017
@#defineUND_MODE0x0000001b
@#defineSYSTEM_MODE0x0000001f
movr0,sp
ldrlr,[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
movspc,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cpsrbranchtohandlerinSVCmode
.endm
.globl__stubs_start
__stubs_start:
/*
*Interruptdispatcher
*/
vector_stubirq,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arch\arm\kernel\entry-armv.S
__irq_usr:
usr_entry@后面有解释
kuser_cmpxchg_check
#ifdefCONFIG_TRACE_IRQFLAGS
bltrace_hardirqs_off
#endif
get_thread_infotsk@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)
#ifdefCONFIG_PREEMPT//如果定义了抢占,增加抢占数值
ldrr8,[tsk,#TI_PREEMPT]@getpreemptcount
addr7,r8,#1@incrementit
strr7,[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。
#ifdefCONFIG_PREEMPT
ldrr0,[tsk,#TI_PREEMPT]
strr8,[tsk,#TI_PREEMPT]
teqr0,r7
strner0,[r0,-r0]
#endif
#ifdefCONFIG_TRACE_IRQFLAGS
bltrace_hardirqs_on
#endif
movwhy,#0
bret_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。
.macrousr_entry
subsp,sp,#S_FRAME_SIZE@S_FRAME_SIZE的值在arch\arm\kernel\asm-offsets.c
@中定义DEFINE(S_FRAME_SIZE,sizeof(structpt_regs));实际上等于72
stmibsp,{r1-r12}
ldmiar0,{r1-r3}
addr0,sp,#S_PC@hereforinterlockavoidance
movr4,#-1@""""""""
strr1,[sp]@savethe"real"r0copied
@fromtheexceptionstack
@
@Wearenowreadytofillintheremainingblanksonthestack:
@
@r2-lr_
@r3-spsr_
@r4-orig_r0(seept_regsdefinitioninptrace.h)
@
@Also,separatelysavesp_usrandlr_usr
@
stmiar0,{r2-r4}
stmdbr0,{sp,lr}^
@
@Enablethealignmenttrapwhileinkernelmode
@
alignment_trapr0
@
@ClearFPtomarkthefirststackframe
@
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structpt_regs,在include/asm/ptrace.h中定义。
此时sp指向structpt_regs。
structpt_regs{
longuregs[18];
};
#defineARM_cpsruregs[16]
#defineARM_pcuregs[15]
#defineARM_lruregs[14]
#defineARM_spuregs[13]
#defineARM_ipuregs[12]
#defineARM_fpuregs[11]
#defineARM_r10uregs[10]
#defineARM_r9uregs[9]
#defineARM_r8uregs[8]
#defineARM_r7uregs[7]
#defineARM_r6uregs[6]
#defineARM_r5uregs[5]
#defineARM_r4uregs[4]
#defineARM_r3uregs[3]
#defineARM_r2uregs[2]
#defineARM_r1uregs[1]
#defineARM_r0uregs[0]
#defineARM_ORIG_r0uregs[17]
3.4irq_handler的实现过程,arch\arm\kernel\entry-armv.S
.macroirq_handler
get_irqnr_preambler5,lr
@在include/asm/arch-s3c2410/entry-macro.s中定义了宏get
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