Interrupt in Linux (1.2.3 IOAPIC发出的中断消息是如何找到LAPIC的？)

发出的中断消息是如何找到LAPIC的？

上面两个流程的第一步都是确定是否由自己接收中断。前面我们提到，RTE中的Destination Field用于指定由哪个APIC接收，并且分为Physical和Logical两种模式。对于LAPIC，两种模式有着不同的意义。

Physical模式：在该模式下，RTE中的Destination Field表示的是LAPIC ID。对于LAPIC来说，系统在RESET后，都会分配一个唯一的ID用作标识。在X86平台下，我们可以通过LAPIC ID寄存器得到它。图1-6为其格式：

图1-6 Local APIC ID

操作系统或BIOS，通常会使用LAPIC ID唯一的标识一个CPU。在Pentium系列和P6架构中，由于APIC BUS最多只支持15个LAPIC ID，即一个MP平台最多只能有15个CPU，RTE中的destination field表示LAPIC ID时只用了4bit，LAPIC ID寄存器也只有4bit可用。对于Pentium4和Xeon系列，APIC ID被扩展至8bit，最多支持255个LAPIC。系统RESET后，可以用CPUID指令(EAX写参数1，EBX的24~31即为返回的ID)获得默认的LAPIC ID。某些CPU允许软件更改默认的ID号，但通常来说，软件应该避免这样的行为。无论何时，CPUID指令返回的都是系统RESET后默认分配的LAPIC ID，即使当前的LAPIC ID寄存器已经被软件更改过。

关于APIC ID

APIC ID分为LAPIC ID和IOAPIC ID。前者唯一的标识系统中某个LAPIC，后者唯一标识某个IOAPIC。LAPIC ID前面已经介绍了，根据MP spec（Multiple Processor Specification，多处理器规范）规定，LAPIC ID必须唯一，但可以不连续。与LAPIC ID不同，IOAPIC ID在系统RESET后统一清零，操作系统或BIOS负责验证IOAPIC ID是否唯一，如果有冲突检测到，由操作系统或BIOS重新分配。重分配的原则是从系统中所有LAPIC ID后最小的数字开始分配。例如当前系统有两个LAPIC，ID为0、1，则分配IOAPIC ID应该从2开始。

需要注意的是，MP spec对APIC ID的分配规则只适用于系统用APIC BUS的情况。X86 spec说4bit的LAPIC ID可以表示15个CPU，还有一个0x0f预留给了广播。当RTE的destination field字段代表APIC ID，且值为0x0f时，该中断消息广播给所有CPU。

笔者：LAPIC ID是从0开始分配的，IOAPIC ID在系统RESET后自动清0。MP spec说“操作系统在探测到IOAPIC ID冲突时，有义务为它分配一个新的ID”。那相同的LAPIC ID和IOAPIC ID算不算冲突呢？算，但是对于Pentium4和Xeon系列使用前端总线通讯的系统，”It’s not an issue”。在此种系统中，LAPIC是要用ID参与前端总线竞争的，IOAPIC却不用，因为是北桥代理它竞争总线。IOAPIC ID只用于区分多个IOAPIC，它和LAPIC ID不在一个上下文。

APIC BUS下，IOAPIC ID要用于竞争总线，不能和LAPIC ID冲突，分配规则“题外话”中已说明。

当中断消息通过Physical模式发送时，LAPIC通过LAPIC ID来判断该中断是否由自己接收。

Logical模式：在该模式下，中断消息中的Destination Field包含的不是LAPIC ID，而是被称为MDA（Message Destination Address，消息目的地地址）的信息。此时，LAPIC需要两个额外的寄存器来判断自己是否为中断消息的目的地。它们是LDR和DFR。

LDR的格式如图1-7所示：

图1-7 LDR格式

LDR全称是Logical Destination Register，逻辑目的地寄存器。该寄存器包含一个8bit的逻辑APIC ID（注意区分，它和LAPIC ID不是一个东西），在Logical模式下用于和MDA匹配。LDR的格式由DFR指定，DFR如图8所示：

图1-8 DFR格式

DFR，Destination Format Register，目的地格式寄存器。该寄存器包含一个4bit的mode字段，用于指定LDR中的Logical APIC ID用何种方式与MDA匹配。通过这两个寄存器的配合，Logical模式又被分为了Flat与Cluster两种模式。

u  Flat模式：DFR的model值为1111b，此时，LAPIC将MDA与LDR的logical APIC ID做位与，如结果不为0则接收中断。Logical APIC ID中每个bit代表一个LAPIC，故8bit最多代表8个CPU。

u  Cluster模式：DFR的model值为0000b。我不得不说我可能会把你搞晕了，但实际上确实如此，x86太TMD复杂了。Cluster模式又分为两种模式：Flat Cluster模式和Hierarchical Cluster模式。

l  Flat Cluster模式：该模式只支持P6架构和Pentium系列CPU，并假定所有APIC通过APIC BUS通讯。该模式将MDA编码为两个部分，高4bit为簇号，低4bit标识LAPIC在该簇内的ID（每个bit代表一个LAPIC，故一个簇最多有4个LAPIC）。与之对应，LDR的logical APIC ID也被编码成同样两个部分。

工作在该模式时，LAPIC先将MDA的高4bit和Logical APIC ID的高4bit比较，以确定自己是否是中断的目的簇。若是，将MDA的低4bit与Logical APIC ID的低4bit位与，若值不为0则接收中断。否则拒绝。

通过这种方法，高4bit的簇号可以表示15个簇，低4bit的ID可以代表簇内的4个CPU，最多可以支持60个CPU。但由于APIC BUS的限制，具体的说是APIC Arb ID（APIC仲裁ID）的限制，该模式最多只支持15个CPU。

l  Hierarchical Cluster模式：支持P6架构和Pentium系列，以及Xeon、Pentium4系列。该模式通过为每个簇引入一个“簇管理器”，将Flat Cluster模式中平等的簇构成一个具有等级结构的分级网络，并最多支持60个CPU。这个话题太远了，相关spec没有更多资料，就不多做介绍了。

笔者：不要问我Hierarchical Cluster模式下，P6架构和Pentium系列如何突破APIC BUS对于15个CPU的限制的，我真的不知道。

    “通过这种方法，高4bit的簇号可以表示15个簇”，实际上应该是0~15共16个簇，但MDA全1时为广播到所有LAPIC，笔者认为簇号1111b被预留给广播模式了。

对于Flat Cluster模式，我们举个例子吧（此例中，中断为Fix delivery mode。关于Lowest Prority的例子见后面内容）。假设有三个CPU的logical模式配置为（此时DFR的model值为0000b）：CPU1的LDR值为0000 0001b，CPU2的LDR值为0001 0010b，CPU3的LDR值为0000 0100b，则CPU1、CPU3为一簇，CPU2为另一簇。IOAPIC发出一条中断消息，其Destination Mode为1，destination field值为0000 00001b。三个LAPIC收到该消息后，CPU1、CPU3通过destination field的高4bit判断出该消息目的地为本簇，再将自身Logical APIC ID的低4bit与destination field低4bit位与，最终CPU1接收该中断消息，CPU2、CPU3丢弃。

图1-9总结了中断消息的Destination Field字段用于寻址LAPIC的几种模式：

 

图1-9 Destination Field模式