Interrupt in Linux（硬件篇）—— Linux1

Linux的中断子系统

从这章开始，我们来看看Linux中断子系统的实现。

、Pin、GSI、Vector

这几个概念经常把人搅晕掉，下面的内容经常要用到它们，还是先说清楚为妙。

IRQ是PIC时代的产物，由于ISA设备通常是连接到固定的PIC管脚，所以说一个设备的IRQ实际是指它连接的PIC管脚号。IRQ暗示着中断优先级，例如IRQ0比IRQ3有着更高的优先级。当前进到APIC时代后，或许是出于习惯，人们仍习惯用IRQ表示一个设备的中断号，但对于16以下的IRQ，它们可能不再与IOAPIC的管脚对应，例如PIT此时接的是2号管脚。

Pin是管脚号，通常它表示IOAPIC的管脚（前面说了，PIC时代我们用IRQ）。Pin的最大值受IOAPIC管脚数限制，目前取值范围是[0,23]。

GSI是ACPI引入的概念，全称是Global System Interrupt。它为系统中每个中断源指定一个唯一的中断号。下图展示了GSI的思想：

图2-1

图2-1中有3个IOAPIC：IOAPIC0~2。IOAPIC0有24个管脚，其GSI base为0，每个管脚的GSI=GSI base + pin，故IOAPIC0的GSI范围为[0~23]。IOAPIC2有16个管脚，GSI base为24，GSI范围为[24,39]，依次类推。ACPI要求ISA的16个IRQ应该被identify map到GSI的[0,15]。

IRQ和GSI在APIC系统中常常被混用，实际上对15以上的IRQ，它和GSI相等。我们在谈到IRQ时，一定要注意它所处的语境。

Vector是CPU的概念，是中断在IDT表中的索引。每个IRQ（或GSI）都对应一个Vector。在PIC模式下，IRQ对应的vector=start vector + IRQ；在APIC模式下，IRQ/GSI的vector由操作系统分配。

中断探测

操作系统如何知道平台上硬件中断系统的情况？BIOS告诉它的。表，是BIOS报告系统资源的通常方式。MP spec定义了MP table，ACPI规范定义了MADT（Multiple APIC Description Table）。虽然构建方式不一样，但从OS看来两者大同小异，都支持LAPIC entry、IOAPIC entry，以及其它几个与它们相关的entry。这些entry描述了平台APIC硬件的情况。下面根据Linux两条不同的中断探测路径，介绍如何根据MP table或MADT构建中断子系统的主要数据结构。

关键数据结构

Linux最初实现的是MP spec相关规范，故定义一组符合MP spec的数据结构来管理平台硬件。ACPI被引入后，虽然汇报硬件资源的方式变了，但仍可以使用MP spec的数据结构来管理。Linux的ACPI解析路径，实际上是用ACPI的方式读表，填充MP spec的数据结构。由此看来，我们只要理解MP spec数据结构就可以了，和中断相关的有如下几个：

笔者：这些结构体和MP spec规定的各个entry结构是相同的，下面表格将两者列在一起说明，以后就不单独画MP spec各entry的结构表了。

struct mpc_config_ioapic：对应MP spec的IOAPIC entry ，各字段如下：

结构体成员	MP spec字段	长度（byte）	描述
mpc_type	TYPE	1	类型，2(IOAPIC ENTRY)
mpc_apicid	IOAPIC ID	1	IOAPIC ID
mpc_apicver	IOAPIC Version	1	IOAPIC版本
mpc_flags	IOAPIC Flags：EN	1	最低bit有效，其余bit预留 0：IOAPIC disabled 1：IOAPIC enabled
mpc_apicaddr	IOAPIC Address	4	该IOAPIC基地址

表2-1 IOAPIC entry和struct mpc_config_ioapic

内核用mp_ioapics全局数组存放系统中所有IOAPIC对应的struct mpc_config_ioapic，nr_ioapics为IOAPIC数量。目前Linux最多支持64个IOAPIC，当数量超过时可以配置MAX_IO_APICS宏扩大限制。

struct mpc_config_intsrc：对应MP spec的IO interrupt entry，代表各个中断源（一个IOAPIC管脚连接一个中断源）各字段如下：

结构体成员	MP spec字段	长度（byte）	描述
mpc_type	TYPE	1	3（IOAPIC interrupt）
mpc_irqtype	INTERRUPT TYPE	1	INT：APIC模式中断 NMI：不可屏蔽中断 SMI：系统管理中断 ExtINT：vector由PIC提供。如果8259用作外部PIC,即PIC INTR接APIC的一个管脚，vector由8259提供
mpc_irqflag	PO：位于2byte 0bit EL：位于2byte 1bit	2	PO：中断管脚极性 EL：触发模式
mpc_srcbus	SOURCE BUS ID	1	产生中断的总线
mpc_srcbusirq	SOURCE BUS IRQ	1	相对于产生中断的总线，该中断管脚代表的中断号。例如0，相对于ISA总线即IRQ0
mpc_dstapic	DESTINATION IOAPIC ID	1	该中断连接的IOAPIC。0xff标识连接到所有的IOAPIC
mpc_dstirq	DESTINATION IOAPIC INTN#	1	连接到IOAPIC的管脚号

表2-2 IO interrupt entry和mpc_config_intsrc

不同总线中断共享情况：如果两个IO interrupt entry的destination（IOAPIC ID、INTN#）相同，则共享。例如IPCI-device1/INTA#和ISA-IRQ2如对应相同的destination，则两者共享，接同样的IOAPIC和INTN#。

中断共享和中断丢失

我们不讨论Level触发的情况，因为意义不大，它可以共享且不会丢失中断。

Edge触发，问题就比较多了。它通常对应ISA设备，一个常见的说法是“ISA设备不能共享中断”，但也有人说这是个“superstition”（内核邮件列表曾有关于它的争论）。

从能找到的资料来看，标准的ISA设备是不支持中断共享的，但问题是有很多非标准实现的存在。从操作系统的角度看，支持ISA中断共享并非难事，我们完全可以使用level触发同样的方式去处理edge触发（例如Linux的实现）。Edge共享的一个难题是，当一个设备在另一个设备的中断正在被处理时发起中断，该中断会丢失（或者说要等到另一个设备再发起中断时才会处理），因为此时该中断管脚通常是被屏蔽的。为了解决这个问题，一些非标准的实现会用“re-trigger while in service”、“sequencing of interrupt-generating”加以保证。前者会在一个中断服务完后再触发一次中断；后者会保证中断事件顺序产生，即处理完一个再产生一个。无论怎样，我们尽量在操作系统中支持ISA中断共享，但应该认识到edge中断是不应该共享的。

从理论上分析，edge中断会丢失，Edge中断丢失出现在中断管脚被mask，设备又发起中断时。对于PIC，通过IMR屏蔽中断管脚时，到来的中断仍然会pending在IRR中，unmask中断会提交给CPU。对于APIC，操作系统在进行中断处理时不mask中断（至少Linux如此），尽力保证不丢中断。

内核用mp_irqs全局数组记录系统中所有的mpc_config_intsrc。目前支持的最大数——MAX_IRQ_SOURCES为256。

Struct mpc_config_lintsrc：定义和mpc_config_intsrc一样。只是mpc_dstapic代表LAPIC，且mpc_dstirq只能取值0或1。