2.3.5 irq_handler

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#linux #arm #嵌入式硬件

于 2024-08-12 21:46:20 首次发布

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Interrupt Pipeline系列文章大纲-优快云博客

2.3 el0_irq

2.3.1 el0_irq代码框架

2.3.2 kernel_entry 0 与kernel_exit 0

2.3.3 el0_irq_naked与enable_da_f

2.3.4 trace_hardirqs_off与trace_hardirqs_on

2.3.5 irq_handler

2.3.6 返回用户空间

2.3.5 irq_handler

2.3.5.1 概要

在原生irq_handler中，通过ldr_l加载函数handle_arch_irq的地址到通用寄存器X1。其中，ldr_l并不是ARM64指令，而是内核引入宏定义，定义在arch/arm64/include/asm/assembler.h，通过adrp和ldr指令的组合，加载当前PC值一定范围[-4GB~4GB]内的符号地址到寄存器。

如果打开了CONFIG_IPIPE配置项，那么通过ldr伪指令，加载函数handle_arch_irq_pipelined到通用寄存器X1中。

通过mov x0, sp指令，把当前的栈指针存入通用寄存器X0，作为函数的入参。之前已经调用kernel_entry 0，将进程运行的用户态现场按照struct pt_regs的格式存入进程内核栈。所以函数的入参就是struct pt_regs *regs。

调用irq_stack_entry，切换到内核中断栈；通过blr x1执行handle_arch_irq_pipelined函数，函数返回后，返回值存在W0；然后调用irq_stack_exit退出内核中断栈。

2.3.5.2 irq_stack_entry/irq_stack_exit

ARM64的Linux内核在2015年之前中断没有自己独立的栈，都是借用线程的内核栈。独立的中断栈是在commit 8e23dacd12 arm64: Add do_softirq_own_stack() and enable irq_stacks中引入的。

如果打开了CONFIG_IPIPE配置项，实时内核co-kernel（Xenomai）允许在中断栈上进行上下文切换，并且允许更多的中断发生在sibling栈上下文中。那么原先判断当前是否在中断栈的汇编代码将不可用，所以I-pipe实现了一套新的方法，如果per cpu变量irq_nesting为0，则说明此时不在中断栈中，否则已经在中断栈中。

irq_stack_entry

1		.macro	irq_stack_entry
2		mov	x19, sp	// preserve the original sp
3
4	#ifdef CONFIG_IPIPE
5		/*
6		* When the pipeline is enabled, context switches over the irq
7		* stack are allowed (for the co-kernel), and more interrupts
8		* can be taken over sibling stack contexts. So we need a not so
9		* subtle way of figuring out whether the irq stack was actually
10		* exited, which cannot depend on the current task pointer.
11		*/
12		adr_this_cpu x25, irq_nesting, x26
13		ldr	w26, [x25]
14		cmp	w26, #0
15		add	w26, w26, #1
16		str	w26, [x25]
17		b.ne	9998f
18	#else
19		/*
20		* Compare sp with the base of the task stack.
21		* If the top ~(THREAD_SIZE - 1) bits match, we are on a task stack,
22		* and should switch to the irq stack.
23		*/
24		ldr	x25, [tsk, TSK_STACK]
25		eor	x25, x25, x19
26		and	x25, x25, #~(THREAD_SIZE - 1)
27		cbnz	x25, 9998f
28	#endif
29
30		ldr_this_cpu x25, irq_stack_ptr, x26
31		mov	x26, #IRQ_STACK_SIZE
32		add	x26, x25, x26
33
34		/* switch to the irq stack */
35		mov	sp, x26
36	9998:
37		.endm

第2行，保存当前栈指针SP_EL1到X19.

第12行，加载per cpu变量irq_nesting的地址到X25. 变量定义在arch/arm64/kernel/ipipe.c，用于对每个CPU核进出中断栈进行计数。

/* irq_nesting tracks the interrupt nesting level for a CPU. */

DEFINE_PER_CPU(int, irq_nesting);

第13行，把per cpu变量irq_nesting的值加载到W26，即X26的低32位。

第14行，用cmp指令比较W26和立即数0，比较结果影响CPSR中的条件标志位Z。如果二者相等，则条件标志位Z为1；否则为0.

第15~16行，对per cpu变量irq_nesting进行加1。使用了ADD指令，对CPSR中的条件标志位Z无影响。

第17行，如果第14行cmp指令比较结果为二者相等（条件标志位Z为1），则说明per cpu变量irq_nesting的值为0，即从未进入到中断栈，那么继续向下执行第30行。per cpu变量irq_nesting的值大于或等于1，即已经进入中断栈，不需要进行进程内核栈到中断栈的切换，直接向前(forward)跳转到9998f，退出宏。

第30行，加载per cpu变量irq_stack_ptr的地址到X25。irq_stack_ptr定义和初始化在arch/arm64/kernel/irq.c，它指向中断栈的栈顶(低地址)，因此X25里面存放的是中断栈栈顶地址。如果定义了CONFIG_VMAP_STACK，那么中断栈是运行时动态申请的；否则，中断栈是编译时就定义的per cpu数组irq_stack。

DEFINE_PER_CPU(unsigned long *, irq_stack_ptr);

第31~32行，ARM64的中断栈的栈底地址到栈顶地址，是由高到低的。将X25存放的中断栈栈顶地址向上偏移#IRQ_STACK_SIZE，得到中断栈栈底地址，存入X26。

第35行，让SP_EL1栈指针指向中断栈栈底。接下来调用irq_handler函数，函数里面会自动把SP_EL1向下压栈。

irq_stack_exit

1		/*
2		* x19 should be preserved between irq_stack_entry and
3		* irq_stack_exit. I-pipe: have to preserve w0 too.
4		*/
5		.macro	irq_stack_exit
6		mov	sp, x19
7	#ifdef CONFIG_IPIPE
8		adr_this_cpu x1, irq_nesting, x2
9		ldr	w2, [x1]
10		add	w2, w2, #-1
11		str	w2, [x1]
12	#endif
13		.endm

第3行，此处注释提到了I-pipe必须避免在irq_stack_exit中修改W0。W0中存放着blr x1执行后的返回值，会影响后续代码的执行。

第6行，从通用寄存器X19中，恢复原来的内核进程栈到SP_EL0。

第8~11行，对per cpu变量irq_nesting的值进行减1操作，可以参考irq_stack_entry的解读。

2.3.5.3 handle_arch_irq_pipelined函数

如果打开了CONFIG_IPIPE配置项，那么函数调用顺序irq_handler->handle_arch_irq变成了irq_handler->handle_arch_irq_pipelined->handle_arch_irq。

//arch/arm64/kernel/irq.c

#ifdef CONFIG_IPIPE

asmlinkage int handle_arch_irq_pipelined(struct pt_regs *regs)

{

handle_arch_irq(regs); //仍然调用了原来该调用的函数

return __ipipe_root_p && !irqs_disabled(); //注意返回值

}

#endif

新增的handle_arch_irq_pipelined除了调用原先的handle_arch_irq之外，就是改变了irq_handler的返回值。根据返回值的不同，el0_irq后续的代码走向是不同的，后面章节会相信分析，这里重点分析handle_arch_irq。

全局函数指针handle_arch_irq()，是中断处理程序C语言部分的入口，由函数set_handle_irq进行初始化。

void (*handle_arch_irq)(struct pt_regs *) __ro_after_init;

int __init set_handle_irq(void (*handle_irq)(struct pt_regs *))

{

if (handle_arch_irq)

return -EBUSY;

handle_arch_irq = handle_irq;

return 0;

}

以ARM的GIC V3中断控制器为例，irq-gic-v3.c中调用set_handle_irq(gic_handle_irq)，设置handle_arch_irq指向gic_handle_irq。

start_kernel <init/main.c>
->	init_IRQ <arch/arm64/kernel/irq.c>
	->	irqchip_init <drivers/irqchip/irqchip.c>
		->	of_irq_init(__irqchip_of_table) <drivers/of/irq.c>
			->	gic_of_init <drivers/irqchip/irq-gic-v3.c>
				->	gic_init_bases <drivers/irqchip/irq-gic-v3.c>
					->	set_handle_irq(gic_handle_irq)

2.3.5.4 irq_handler返回值

W0寄存器里面存放着irq_handler的返回值。根据返回值不同将走向不同的返回用户空间流程。

__ipipe_root_p用于判断当前是在root domain还是head domain。如果el0_irq发生时，用户进程是非实时进程，或实时进程切换到了root domain运行，此时__ipipe_root_p为1；否则代表实时进程在head domain运行，此时__ipipe_root_p为0。

#define __ipipe_root_p (__ipipe_current_domain == ipipe_root_domain)

函数irqs_disabled()是一个宏定义，定义在include/linux/irqflags.h。为简化分析，在关闭CONFIG_TRACE_IRQFLAGS_SUPPORT的情况下，展开分析。

#define irqs_disabled() raw_irqs_disabled()

#define raw_irqs_disabled() (arch_irqs_disabled())

I-pipe没有使用默认的函数arch_irqs_disabled()，直接定义了此函数，在arch/arm64/include/asm/ipipe_hwirq.h:

#define arch_irqs_disabled() ipipe_test_root()

ipipe_test_root()在kernel/ipipe/core.c中定义：

1	unsigned long ipipe_test_root(void)
2	{
3		unsigned long flags;
4		int x;
5
6		flags = hard_smp_local_irq_save();
7		x = test_bit(IPIPE_STALL_FLAG, &__ipipe_root_status);
8		hard_smp_local_irq_restore(flags);
9
10		return x;
11	}
12	EXPORT_SYMBOL(ipipe_test_root);