linux-2.6.26内核中ARM中断实现详解（2）

作者：刘洪涛，华清远见嵌入式学院金牌讲师，ARM公司ATC授权培训讲师。
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:

swi SYS_ERROR0

b vector_und + stubs_offset

ldr pc, .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 arch\arm\kernel\entry-armv.S
.globl __stubs_start

__stubs_start:

/*

* Interrupt dispatcher

*/

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：
.macro vector_stub, name, mode, correction=0

.align 5

vector_\name:

.if \correction

sub lr, lr, #\correction

.endif

@

@ Save r0, lr_<exception> (parent PC) and spsr_<exception>

@ (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 arch\arm\kernel\entry-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arch\arm\kernel\asm-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:

@

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

@ r3 - spsr_<exception>

@ 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，arch\arm\kernel\entry-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 <asm/linkage.h>//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<asm/linkage.h>，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<asm/linkage.h>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.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。