Interrupt in Linux (1.2.4 TPR、PPR、APR和Lowest priority —— 中断发给Whom？)

、PPR、APR和Lowest priority —— 中断发给Whom？

RTE的delivery mode有一中模式为lowest priority，即最低优先级，它是Linux配置RTE时使用的模式。这里的最低优先级不是指中断的优先级，而是指将中断发送给destination field列出的CPU中，优先级最低的一个。如何决定一个CPU的优先级呢？x86平台依靠TPR寄存器和PPR寄存器。

TPR，task priority register，任务优先级寄存器，它确定当前CPU可处理什么优先级别范围内的中断。具有如下的格式：

图1-10 TPR寄存器

TPR寄存器接收0~15共16个值，对应16个CPU规定的中断优先级级别，值越大优先级越高。CPU只处理比TPR中值优先级别更高的中断。例如TPR中值为8，则级别小于等于8的中断被屏蔽（注意，屏蔽不代表拒绝，LAPIC接收它们，把它们pending到IRR中，但不交CPU处理。见前面LAPIC中断处理流程）。值15表示屏蔽所有中断；值0表示接收所有中断，噢，这也是Linux为TPR设置的默认值。注意，TPR是由软件读/写的，硬件不更改它。

的中断优先级级别

我们知道每个中断都有一个vector与之对应，x86平台共有256个vector，除去架构预留和被异常等占去的0~31号vector，可供外部中断使用的还有224个（噢，实际上只有223个，还要除去一个INT 80）。中断的优先级别由下列公式：

优先级别 = vector / 16

这里“/”是c语言的除，不是数学里的除号，所以我们是没有小数的。16~255号vector构成了1~15共15个优先级别，中断拥有2~15级别。对于同一个级别的中断，vector号越大的优先级越高。例如vector33、34都属于级别2，34的优先级就比33高。所以，对于8bit的vector，又可以划分成两部分，高4bit表示中断优先级别，低4bit表示该中断在这一级别中的位置。

噢，应该讲清楚了，记住，TPR的值增加1，将会屏蔽16个vector对应的中断。NMI、SMI、ExtINT、INIT、start-up delivery的中断不受TPR约束。

笔者：TPR，任务优先级寄存器 ，很容易的就让人和进程的优先级联想到一起。实际上，x86的spec也强调这里的“Task”代表操作系统中的进程、线程、任务、程序 ……不过，Linux的进程优先级和它没有关系。如果Linux的中断处理例程线程化了，如果Linux具有更强的实时性，如果Linux跟着Windows、Solaris学习，如果 …… Linux或许会把它和进程优先级挂上勾。现在嘛，Linux没有那样做。不过，APIC设计TPR的目的，真是给Task用的，期望进程切换时也会更新TPR值，这是APIC的历史文档告诉我们的。

TPR为8bit组成，从图中我们可以看到，0~15这16个值应该写到高4bit去。如果我们同时也写了低4bit会怎么样？从关于TPR的论述来看，CPU会忽略低4bit的值。

PPR，Processor priority register，处理器优先级寄存器。该寄存器决定当前CPU正在处理的中断的优先级级别，以确定一个Pending在IRR上的中断是否发送给CPU。与TPR不同，它的值由CPU写而不是软件写。PPR取值范围为[0,15]，计算方式由下列伪代码描述：

If TPR[7:4] >= ISR[7:4] THEN

    PPR[7:0] = TPR[7:0]

ELSE

PPR[7:4] = ISRV[7:4]

PPR[3:0] = 0

这里，ISRV[7:4]标识当前ISR中，最高优先级中断对应vector的高4bit，如前面所说，这代表了该中断的优先级级别。简而言之，取TPR和正在服务的最高优先级中断中，优先级级别高的。好了，都知道了，IRR中pending的中断，优先级级别必须高于PPR中值才会被发送给CPU处理，否则，继续等 ……

谁是Lowest Priority？

有了前面两个寄存器的论述，现在可以看看Lowest Priority是怎么决定的了。先来从Pentium4和Xeon系列说吧，它们要简单点（实际上更复杂，但因为资料少，我可以说的简单点。具体信息？去看mindshare那本讲前端总线的书吧，2000多页的英文读本）

对于这个系列，LAPIC和IOAPIC通过前端总线通讯。X86 spec对这个描述是：“芯片组负责从destination filed列出的CPU中，选出一个优先级最低的接收中断。如果是Pentium4，CPU会用一个特殊的总线周期（bus cycle）将每个CPU当前的任务优先级提交到总线，芯片组记录它们，并作为挑选最低优先级CPU的依据”。完了，够简单吧^_^

笔者：从spec来看，无论是Xeon还是Pentium4，都是由芯片组选最低优先级CPU。依据是什么？spec讲的不清楚。但对于pentium4，提到了“用一个特殊的bus cycle将当前各CPU的task priority提交到总线”。这个task priority具体指什么？spec也没说。但在TPR相关章节中有这么一句话：“注意，task priority用于决定CPU的仲裁优先级（见8.6.2.4，Lowest Priority Delivery Mode）”。虽然没有明说，但我们有理由认为，这里的task priority就是TPR的值。

 P6架构的系统，依靠一个APR寄存器(Arbitration Priority Register，优先级仲裁寄存器)决定CPU优先级，其格式如图1-11：

图1-11 APR寄存器

APR值可由下列伪代码计算：

If ( (TPR[7:4] >= IRRV[7:4]) && (TPR[7:4] > ISRV[7:4]) )

   APR[7:0] = TPR[7:0]

Else

{

   APR[7:4] = max(TPR[7:4],IRRV[7:4],ISRV[7:4])

   APR[3:0] = 0

}

上述代码表述了这么一个意思：当TRP的值大于IRR中最高优先级中断的优先级级别，并大于ISR中最高优先级中断的优先级级别时，APR等于TPR。否则，APR高4bit取TPR、IRRV、ISRV三者中优先级级别最高的；低4bit取0

题外话 —— Focus Processor

对于P6架构和Pentium系列CPU，spec提到了一个Focus Processor的概念。如果一个中断A正在被某CPU1处理，或者pending在CPU1的IRR上，则称CPU1为中断A的Focus Processor。当系统中有Focus Processor存在时，Focus Processor可能（may）接收该中断，不管自身的优先级是多少。Xeon系列没有Focus Processor的概念。

笔者：关于Focus Processor是尽量按spec的原话翻译，当然，E文水平有限，翻译的不好。不过大概就是这个意思。Focus Processor在哪儿设定？伪中断寄存器（见后面的伪中断相关内容）。spec说：“If a focus processor exists, it may accept the interrupt, regardless of its priority”，spec用了一个may。这种不清不楚的用词太万恶了，让人完全搞不清楚它什么时候会may，什么时候又may not。不管怎样，Focus Processor给了我们这样一种暗示，即当系统中大量产生同一种中断时，该中断会被发送给同一个CPU处理。这样的好处是可以避免cache颠簸，缺点也十分明显：运行在该CPU上的进程可能饿死、中断处理过慢、系统中断负载不平衡 …… 我们又注意到，Xeon系列取消了这个功能，应该是顺应民心吧。既然已经有了PRT表，CPU就不应该再提供这种重定向中断的功能。

发了一堆牢骚，其实情况没那么糟糕。Focus Processor只对edge触发中断有效。而目前平台上大量使用的PCI是level触发的。为什么？想想Focus Processor的定义，再去看看前面关于同类型中断pending两次的说明吧。

我们来举一个Pentium4和Xeon系列优先级仲裁的例子，说明谁是Lowest Priority。假设有CPU1、CPU2、CPU3三个CPU，相应的TPR值为：TPR1=5、TPR2=6、TPR3=10，IOAPIC以lowest priority模式发送一条中断消息，该中断对应的优先级级别为3。则CPU1具有最低优先级，接收该中断。此时，该中断被pending到IRR中，但不会交给CPU处理，因为其优先级级别低于TPR值。

至此，IOAPIC和LAPIC相互配合的中断机制已经大体介绍完了，其中提到了一部分寄存器和它们的功用。APIC的其它内容在后面分析Linux实现时补充，一次把硬件内容写完，你看着烦，我写着也累，而且逻辑容易乱。