MPIC 与 PowerPC Linux 中断处理

PowerPC 异常类型与异常向量

将处理器内部产生的异常和外部中断信号统一称为异常 (Exception)。异常发生时，PowerPC 处理器根据异常的类型，分别跳转到不同的异常向量地址，执行异常处理程序。异常类型到异常向量的映射，经典 PowerPC 和 Book E 有所不同。

经典 PowerPC

异常类型	异常向量偏移 (0X)	说明
System Reset	00100
Machine Check	00200
DSI	00300	Data Storage Exception
ISI	00400	Instruction Storage Exception
External Interrupt	00500	所有外部中断信号
Alignment	00600
…		本文只关注外部中断，完整内容请看处理器手册

根据异常类型得到偏移 offset, 异常向量的物理地址为 :

MSR[IP]=0 时，Vector = offset ;

MSR[IP]=1 时，Vector = offset | 0xFFF00000;

其中 MSR[IP] 代表 Machine State Register 的 Interrupt Prefix 比特，该比特用来选择中断向量的地址前缀。

Book E

异常类型	异常向量偏移寄存器	说明
Critical Input	IVOR0	来自 #cint 引脚的外部中断信号
Machine Check	IVOR1
DSI	IVOR2	Data Storage Exception
ISI	IVOR3	Instruction Storage Exception
External Input	IVOR4	来自 #int 引脚的外部中断信号
Alignment	IVOR5
…		本文只关注外部中断，完整内容请看处理器手册

从异常类型对应的 IVOR(Interrupt Vector Offset Register) 得到偏移 ( 只取低 16 比特 , 最低 4 比特清零 )，加上 IVPR(Interrupt Prefix Register) 的高 16 比特，构成中断向量的地址：

Vector = (IVORn & 0xFFF0) | (IVPR & 0xFFFF0000);

值得注意的是，跟经典 PowerPC 不同，Book E 的中断向量是 Effective Address, 对应 Linux 内核的虚拟地址。

Linux 对 Book E 中断向量寄存器的设置

以 Freescale E500 处理器为例，在 arch/powerpc/kernel/head_xxx.S(xxx 为处理器子类型 ) 中，定义了标签 interrupt_base，紧接着就是

各中断向量的处理代码：

				
 interrupt_base: 
 ... 
 EXCEPTION(0x0500, ExternalInput, do_IRQ, EXC_XFER_LITE) 

EXCEPTION 这句展开后如下：

				
 .align 5; //32 bytes aligned 
 ExternalInput: 
  NORMAL_EXCEPTION_PROLOG; 
  addi 	 r3,r1,STACK_FRAME_OVERHEAD; 
  xfer(0x0500, do_IRQ); 

这些宏继续展开就是中断处理的代码。后面”中断处理程序”一章有更详细介绍。

在 __early_start 函数中，使用以上代码段的地址设置 IVOR4 和 IVPR:

				
 li r26, ExternalInput@l; /*IVOR only uses the low 16-bits*/ 
 mtspr SPRN_IVOR4, r26; 
 ...... 
 lis 	 r4, interrupt_base@h /*IVPR only uses the high 16-bits*/ 
 mtspr 	 SPRN_IVPR, r4 

以上代码把 IVOR4 和 IVPR 分别设置为 ExternalInput 地址的低 16 位和 interrupt_base 的高 16 位。由于 head_xxx.S 编译出来的目标文件链接在内核镜像的最前面，而内核加载地址对齐在比较大的内存块边界上，所以可以保证 interrupt_base 的高 16 位，跟 ExternalInput 的高 16 位，是相同的。

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PowerPC 外部中断的屏蔽

MSR(Machine Status Register) 的 EE 位 (MSR 的第 16 比特，记为 MSR[EE]) 为 0 时将屏蔽来自 #int 引脚的外部中断，为 1 时使能。

mfmsr 和 mtmsr 指令用来读写 MSR 的内容。格式为："mfmsr rD", "mtmsr rS"。另外 Book E 还提供专门的指令来写 MSR[EE] 位：wrtee 和 wrteei，格式为"wrtee rS","wrteei E"。其中 E 是立即数 0 或 1。

Linux kernel 中屏蔽和使能外部中断的接口有：

 local_irq_disable()/local_irq_enable() 
 local_irq_save()/local_irq_restore() 

另外，spin_lock_irq, spin_lock_irqsave 也包含以上屏蔽操作。

在 Linux Powerpc 中，以上屏蔽外部中断的操作，都是由内联函数 arch_local_irq_disable 或者 arch_local_irq_save 实现。

arch_local_irq_disable 的代码展开如下：

				
 #ifdef CONFIG_BOOKE 
  asm volatile("wrteei 0" : : : "memory"); 
 #else 
  register unsigned long rval; 
  asm volatile("mfmsr %0\n" : "=r" (rval)); 
  rval &= ~MSR_EE; /*MSR_EE = 1<<16*/ 
  asm volatile("mtmsr %0" : : "r" (rval) : "memory"); 
 #endif 

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PowerPC 中断的硬件处理流程

1. 把正在执行的指令序列下一条指令地址保存到 SRR0(Save/Restore Regiser 0)。
2. 把当前 MSR 的内容保存到 SRR1。
3. 把 MSR 某些比特置为 0，如 PR, EE。

注：PowerPC 有两种执行模式，分别为用户模式 (User Mode) 和特权模式 (Supervisor Mode), MSR[PR]=0 表示特权模式。Linux 内核运行在特权模式，而普通程序运行在用户模式。

1. 在新的 MSR 状态下，从中断向量偏移处开始指令读取和执行。
2. 外部中断处理结束时，必须通过 rfi 指令返回。rfi 的执行，会把 SRR1 的内容恢复到 MSR, 并从 SRR0 所保存的地址处继续执行。

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PowerPC Linux 中断处理程序

异常向量 ExternalInput 处的处理程序主要分为以下几个步骤：

1. NORMAL_EXCEPTION_PROLOG 宏

   建立用户中断处理程序的栈帧，并把一些寄存器的值保存在栈帧中，它们在栈帧中布局由 struct pt_regs 定义。

2. 执行 do_IRQ

   在 irq_enter() 函数中更新 preempt_count。 读 MPIC 的 IACK 寄存器，通知 MPIC 开始处理该中断，同时获取 MPIC 中断号 , 映射为软件中断号，找到并运行注册在该软件中断号上的用户中断处理程序，最后写 MPIC 的 EOI 寄存器，通知 MPIC 中断处理结束。

   在 irq_exit() 中更新 preempt_count, 调用 invoke_softirq() 处理 pending 的软中断。

3. ret_from_except

   某些条件满足时，进行进程调度和信号处理，最后调用 rfi 指令返回。

   中断控制器在什么情况下把外设的中断信号发送给处理器？读 IACK 寄存器得到的是什么？硬件中断号怎么来的？为什么要写 EOI ？中断嵌套？这些问题的答案并不存在于代码中，需要了解 MPIC 的内部逻辑和编程接口才能回答。

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MPIC

MPIC 概述

OpenPIC(OPEN Programmable Interrupt Controller) 是 AMD 和 Cyrix 联合开发的中断控制器规范。目前 PowerPC 系统多使用 MPIC (Multi-Processor Interrupt Controller)。MPIC 兼容 OpenPIC 并有所增强，主要包括增加了 #cint 和 #mcp 中断信号输出，更灵活的多处理器中断路由算法等。

PowerPC 处理器与 MPIC 的连接，中断信号的路由

MPIC 的主要功能就是接受外设的中断信号或者 MPIC 本身产生的中断，按照一定的逻辑和次序，向各个处理器的管脚提交中断信号。

MPIC 本身也会产生中断，包括 IPI(Inter Processor Interrupt), MSI(Message Signaled Interrupt), MPIC Timer Interrupt 等。这些中断最后也是由 MPIC 送到处理器的 #int 引脚。对于处理器来说，它们也都是外部中断。关于这些中断及其使用，将另文介绍。

中断源编号

无论是从 MPIC 外部引脚进来的中断，还是 MPIC 自身产生的中断，都有一个中断源编号，范围是 0~127。查阅芯片手册可以获得具体中断的中断源编号。

MPIC 编程接口

中断源配置寄存器

每个中断源对应一套配置寄存器。它们的地址由中断源编号 n 决定。VPRn = VPR0 + 32 * n; DRn = VPRn + 16;

• VPR(Vector Priority Register), 中断向量优先级寄存器。包括 16 比特 Vector ( 即所谓硬件中断号，本文称为 MPIC 中断号 )，4 比特优先级和 1 比特屏蔽位，还有两个比特用来设置中断信号的极性与模式 ( 组合为上升缘，下降缘，高电平，低电平四种触发方式 )。中断源编号到 MPIC 中断号的映射，是通过对 VPR 编程来控制的。
• DR(Destination Register) 中断目的寄存器。P0~Pm 位用来指定该中断被定向到哪个处理器。

注意：对于 IPI 和 MPIC Timer 中断，DR 有多个比特被置 1，表示多播。一个中断被复制到多个处理器； 而对于来自外设的中断，DR 有多个比特被置 1，表示分布式分发，由 MPIC 进行路由选择，只将该中断发送给其中一个处理器。Freescale 的 QorIQ 系列平台的 MPIC, 都不支持分布式分发模式。

Per CPU 寄存器

每个处理器对应一套 Per CPU 寄存器。以下计算地址的公式中，n 代表处理器编号。

• CTPR(Current Task Priority Register)

地址为：CTPRn = MPIC_CPU_BASE+ 4096*n + 0x80

包含 4 比特优先级字段。OS 可以设置当前任务的优先级，只有中断源的优先级大于 CTPR，MPIC 才会向处理器提交中断信号。对于实时操作系统来说，这是一个非常友好的设计。不过 Linux 目前没有利用这一功能，所有 CTPR 都一直设为 0。

注意：中断源优先级等于 CTPR 时，不会被提交到处理器。CTPR 最小值是 0，所以把中断的优先级设为 0，相当于屏蔽该中断。

• IACK(Interrupt Ack Register)

地址为：IACKn = MPIC_CPU_BASE+ 4096*n + 0xa0

只读。处理器 n 响应一个外部中断，读 IACKn 就可以得到该中断的 MPIC 中断号 (Vector/Priority 寄存器的 Vector 字段 )。

• EOI(End Of Interrupt)

地址为 EOIn = MPIC_CPU_BASE+ 4096*n + 0xb0

写 0 表示结束一个中断的处理。

全局寄存器

如 GCR 寄存器可以重启 MPIC, PIR 寄存器可以重启指定的处理器。

Linux 内核 MPIC 寄存器的定义

powerpc/include/asm/mpic.h 文件有以上寄存器地址偏移和各字段的比特掩码定义

MPIC 内部寄存器和流程

另外还有几个 MPIC 内部的 Per CPU 寄存器，一般处理器无法访问它们，但是它们在 MPIC 内部处理流程中扮演了非常重要的角色。

• IPR(Interrupt Pending Register)

共 136 位，分别代表 136 个中断源。IPR 记录 MPIC 接收到中断信号，但还没有开始处理的中断。

• IRR(Interrupt Request Register)

IRR 只保存一个中断源编号。这个中断一定是 IPR 中优先级最高的，并且比处理器正在处理的中断 ( 如果有的话 ) 的优先级更高。

• ISR(In-Service Register)

15 位。ISR 记录处理器开始处理 ( 读 IACK)，但还没有处理完的中断 ( 写 EOI) 的优先级。MPIC 不允许优先级相同的中断互相嵌套，所以最多能嵌套的中断数就是有效优先级的数目 15。

MPIC 接收到一个中断信号以后，如果中断源寄存器的屏蔽位为 0，则根据 DR 的内容，将 IPR 对应比特置 1。例如，若 DR 的 P2 被置 1，表示该中断被定向到处理器 2，因此将 IPR2 的对应比特置 1。

IPR 中优先级最高的中断，如果其优先级大于 ISR 中的最高优先级，则将它的中断源编号，保存到 IRR，同时它的 MPIC 中断号被拷贝到 IACK 中。

如果 IRR 中断的优先级大于 CTPR，则向处理器 #int 引脚输出中断信号。( 注意此时有可能有其他中断正在处理中 )

如果处理器的 MSR[EE] 位为 1，则执行 ExternalInput 中断向量，读 IACK 得到 MPIC 中断号。对 IACK 的读操作，同时会翻转中断信号的电平极性；将 ISR 中的对应比特置 1，表示该级别中断正在被处理中；IPR 中对应的比特也会被清零。

中断处理程序执行完时，向 EOI 写 0。MPIC 将 ISR 中优先级最高的比特清零。

总结一下：

只有屏蔽位为零的中断，才能进入到 IPR。

只有更高优先级的中断都处理完之后，IPR 中的中断才能进入到 IRR。

只有 IRR 中断的优先级大于 CTPR 时，才能向处理器输出中断信号。

只有处理器的 MSR[EE] 位为 1，处理器才响应中断信号，执行外部中断向量。

一个中断存在于 ISR 中的时间范围是软件读 IACK 和写 EOI 之间。

ISR 的行为类似一个堆栈，并且压入堆栈的总是更高的优先级，弹出的总是当前最高优先级。实际上，在系统内存中的确有一个这样的堆栈跟 ISR 相对应，那就是中断处理程序嵌套而形成的堆栈。

要支持中断嵌套，需要在中断处理程序中把 MSR[EE] 设为 1。( 因为在进入中断向量之前，MSR[EE] 被处理器自动设置为 0)

对 PowerPC Linux 来说，在中断处理过程中，软件跟 MPIC 之间的交互就是读 IACK 和写 EOI。他们的实现请参考：

读 IACK

				
 do_IRQ 
 ppc_md.get_irq() 
 ==mpic.c::mpic_get_irq() 

写 EOI

				
 do_IRQ 
 handle_one_irq() 
 generic_handle_irq() 
 desc->handle_irq() = handle_xxxx_irq() 
 desc->irq_data.chip->irq_eoi() 
      ==mpic.c::mpic_eoi() 

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中断号的映射

有三种关于中断的序号：

• 中断源编号

由物理连接决定。它也是中断源配置寄存器的地址索引。

• MPIC 中断号

VPR 寄存器 Vector 字段的值，是由软件配置到 VPR 的，理论取值范围为 0~65535。Linux 配置 VPR 时，总是让 Vector 等于中断源编号。

• 软件中断号

在 Linux 中，一个外部中断用 irq_desc 结构来表示，用同名的数组 irq_desc[NR_IRQS] 来表示所有外部中断。这个数组的索引就是软件中断号。

软件中断号跟 MPIC 中断号往往并不相等。函数 irq_create_mapping 用来建立 MPIC 中断号到软件中断号的映射。软件中断号到 MPIC 中断号的映射保存在数组 irq_map 中。

virq_to_hw 宏用来从软件中断号得到 MPIC 中断号。

反向映射 ( 从 MPIC 中断号得到软件中断号 ) 有四种方式，分别是：

• IRQ_HOST_MAP_LEGACY

两者取值相同

• IRQ_HOST_MAP_NOMAP

两者并不相等，但是没有维护反向映射表。只能遍历 irq_map 来进行反向映射。

• IRQ_HOST_MAP_LINEAR

用数组 revmap 保存反向映射表。查询函数为 irq_linear_revmap。

• IRQ_HOST_MAP_TREE

用 radix tree 来保存反向映射表。查询函数为 irq_radix_revmap_lookup

参考资料

学习

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