鴻蒙內(nèi)核源碼分析(中斷管理篇) | 硬中斷的實現(xiàn)<>觀察者模式

作者：HarmonyOS技術(shù)社區(qū) 2021-03-30 15:30:44

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文章由鴻蒙社區(qū)產(chǎn)出，想要了解更多內(nèi)容請前往：51CTO和華為官方戰(zhàn)略合作共建的鴻蒙技術(shù)社區(qū)https://harmonyos.51cto.com

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關(guān)于中斷部分系列篇將用三篇詳細說明整個過程.

● 中斷概念篇中斷概念很多,比如中斷控制器,中斷源,中斷向量,中斷共享,中斷處理程序等等.本篇做一次整理.先了解透概念才好理解中斷過程.用海公公打比方說明白中斷各個概念.可前往鴻蒙內(nèi)核源碼分析查看.

● 中斷管理篇(本篇) 從中斷初始化HalIrqInit開始,到注冊中斷的LOS_HwiCreate函數(shù),到消費中斷函數(shù)的 HalIrqHandler,剖析鴻蒙內(nèi)核實現(xiàn)中斷的過程,很像設(shè)計模式中的觀察者模式.

● 中斷切換篇用自下而上的方式,從中斷源頭純匯編代碼往上跟蹤代碼細節(jié).說清楚保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場TaskIrqContext過程.可前往鴻蒙內(nèi)核源碼分析查看.

編譯開關(guān)

系列篇編譯平臺為 hi3516dv300,整個工程可前往查看. 預(yù)編譯處理過程會自動生成編譯開關(guān) menuconfig.h ,供編譯階段選擇編譯,可前往查看.

//.... 
#define LOSCFG_ARCH_ARM_VER "armv7-a" 
#define LOSCFG_ARCH_CPU "cortex-a7" 
#define LOSCFG_PLATFORM "hi3516dv300" 
#define LOSCFG_PLATFORM_BSP_GIC_V2 1 
#define LOSCFG_PLATFORM_ROOTFS 1 
#define LOSCFG_KERNEL_CPPSUPPORT 1 
#define LOSCFG_HW_RANDOM_ENABLE 1 
#define LOSCFG_ARCH_CORTEX_A7 1 
#define LOSCFG_DRIVERS_HDF_PLATFORM_RTC 1 
#define LOSCFG_DRIVERS_HDF_PLATFORM_UART 1

中斷初始化

hi3516dv300 中斷控制器選擇了 LOSCFG_PLATFORM_BSP_GIC_V2 ,對應(yīng)代碼為 gic_v2.c GIC(Generic Interrupt Controller)是ARM公司提供的一個通用的中斷控制器. 看這種代碼因為涉及硬件部分,需要對照ARM中斷控制器 gic_v2.pdf文檔看.可前往地址查看.

//硬件中斷初始化 
VOID HalIrqInit(VOID) 
{ 
    UINT32 i; 
 
    /* set externel interrupts to be level triggered, active low. */    //將外部中斷設(shè)置為電平觸發(fā)，低電平激活 
    for (i = 32; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 16) { 
        GIC_REG_32(GICD_ICFGR(i / 16)) = 0; 
    } 
 
    /* set externel interrupts to CPU 0 */  //將外部中斷設(shè)置為CPU 0 
    for (i = 32; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 4) { 
        GIC_REG_32(GICD_ITARGETSR(i / 4)) = 0x01010101; 
    } 
 
    /* set priority on all interrupts */    //設(shè)置所有中斷的優(yōu)先級 
    for (i = 0; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 4) { 
        GIC_REG_32(GICD_IPRIORITYR(i / 4)) = GICD_INT_DEF_PRI_X4; 
    } 
 
    /* disable all interrupts. */           //禁用所有中斷。 
    for (i = 0; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 32) { 
        GIC_REG_32(GICD_ICENABLER(i / 32)) = ~0; 
    } 
 
    HalIrqInitPercpu();//初始化當(dāng)前CPU中斷信息 
 
    /* enable gic distributor control */ 
    GIC_REG_32(GICD_CTLR) = 1; //使能分發(fā)中斷寄存器,該寄存器作用是允許給CPU發(fā)送中斷信號 
 
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES) 
    /* register inter-processor interrupt *///注冊核間中斷,啥意思?就是CPU各核直接可以發(fā)送中斷信號 
    //處理器間中斷允許一個CPU向系統(tǒng)其他的CPU發(fā)送中斷信號，處理器間中斷（IPI）不是通過IRQ線傳輸?shù)?，而是作為信號直接放在連接所有CPU本地APIC的總線上。 
    LOS_HwiCreate(LOS_MP_IPI_WAKEUP, 0xa0, 0, OsMpWakeHandler, 0);//注冊喚醒CPU的中斷處理函數(shù) 
    LOS_HwiCreate(LOS_MP_IPI_SCHEDULE, 0xa0, 0, OsMpScheduleHandler, 0);//注冊調(diào)度CPU的中斷處理函數(shù) 
    LOS_HwiCreate(LOS_MP_IPI_HALT, 0xa0, 0, OsMpScheduleHandler, 0);//注冊停止CPU的中斷處理函數(shù) 
#endif 
} 
//給每個CPU core初始化硬件中斷 
VOID HalIrqInitPercpu(VOID) 
{ 
    /* unmask interrupts */ //取消中斷屏蔽 
    GIC_REG_32(GICC_PMR) = 0xFF; 
 
    /* enable gic cpu interface */  //啟用gic cpu接口 
    GIC_REG_32(GICC_CTLR) = 1; 
}

解讀

● 上來四個循環(huán),是對中斷控制器寄存器組的初始化,也就是驅(qū)動程序,驅(qū)動程序是配置硬件寄存器的過程.寄存器分通用和專用寄存器.圖為 gic_v2 的寄存器功能 ,這里對照代碼和datasheet重點說下中斷配置寄存器

● 以下是GICD_ICFGRn的介紹

The GICD_ICFGRs provide a 2-bit Int_config field for each interrupt supported by the GIC. This field identifies whether the corresponding interrupt is edge-triggered or level-sensitive
GICD_ICFGRs為GIC支持的每個中斷提供一個2位配置字段。此字段標(biāo)識相應(yīng)的中斷是邊緣觸發(fā)的還是電平觸發(fā)的

● GIC-v2支持三種類型的中斷

◊ PPI：私有外設(shè)中斷(Private Peripheral Interrupt)，是每個CPU私有的中斷。最多支持16個PPI中斷，硬件中斷號從ID16~ID31。PPI通常會送達到指定的CPU上，應(yīng)用場景有CPU本地時鐘。

◊ SPI：公用外設(shè)中斷(Shared Peripheral Interrupt)，最多可以支持988個外設(shè)中斷，硬件中斷號從ID32~ID1019。

◊ SGI：軟件觸發(fā)中斷(Software Generated Interrupt)通常用于多核間通訊，最多支持16個SGI中斷，硬件中斷號從ID0~ID15。SGI通常在內(nèi)核中被用作 IPI 中斷(inter-processor interrupts)，并會送達到系統(tǒng)指定的CPU上,函數(shù)的最后就注冊了三個核間中斷的函數(shù).

typedef enum {//核間中斷 
    LOS_MP_IPI_WAKEUP,  //喚醒CPU 
    LOS_MP_IPI_SCHEDULE,//調(diào)度CPU 
    LOS_MP_IPI_HALT,    //停止CPU 
} MP_IPI_TYPE;

中斷相關(guān)的結(jié)構(gòu)體

size_t g_intCount[LOSCFG_KERNEL_CORE_NUM] = {0};//記錄每個CPUcore的中斷數(shù)量  
HwiHandleForm g_hwiForm[OS_HWI_MAX_NUM];//中斷注冊表 @note_why 用 form 來表示？有種寫 HTML的感覺 :P 
STATIC CHAR *g_hwiFormName[OS_HWI_MAX_NUM] = {0};//記錄每個硬中斷的名稱  
STATIC UINT32 g_hwiFormCnt[OS_HWI_MAX_NUM] = {0};//記錄每個硬中斷的總數(shù)量 
STATIC UINT32 g_curIrqNum = 0; //記錄當(dāng)前中斷號 
typedef VOID (*HWI_PROC_FUNC)(VOID); //中斷函數(shù)指針 
typedef struct tagHwiHandleForm {    
    HWI_PROC_FUNC pfnHook;  //中斷處理函數(shù) 
    HWI_ARG_T uwParam;      //中斷處理函數(shù)參數(shù) 
    struct tagHwiHandleForm *pstNext;   //節(jié)點，指向下一個中斷,用于共享中斷的情況 
} HwiHandleForm; 
 
typedef struct tagIrqParam {    //中斷參數(shù) 
    int swIrq;      //  軟件中斷 
    VOID *pDevId;   //  設(shè)備ID 
    const CHAR *pName;  //名稱 
} HwiIrqParam;

注冊硬中斷

/****************************************************************************** 
 創(chuàng)建一個硬中斷 
 中斷創(chuàng)建，注冊中斷號、中斷觸發(fā)模式、中斷優(yōu)先級、中斷處理程序。中斷被觸發(fā)時， 
 handleIrq會調(diào)用該中斷處理程序 
******************************************************************************/ 
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_HwiCreate(HWI_HANDLE_T hwiNum, //硬中斷句柄編號 默認范圍[0-127] 
                                           HWI_PRIOR_T hwiPrio,     //硬中斷優(yōu)先級     
                                           HWI_MODE_T hwiMode,      //硬中斷模式 共享和非共享 
                                           HWI_PROC_FUNC hwiHandler,//硬中斷處理函數(shù) 
                                           HwiIrqParam *irqParam)   //硬中斷處理函數(shù)參數(shù) 
{ 
    UINT32 ret; 
 
    (VOID)hwiPrio; 
    if (hwiHandler == NULL) {//中斷處理函數(shù)不能為NULL 
        return OS_ERRNO_HWI_PROC_FUNC_NULL; 
    } 
    if ((hwiNum > OS_USER_HWI_MAX) || ((INT32)hwiNum < OS_USER_HWI_MIN)) {//中斷數(shù)區(qū)間限制 [32,96] 
        return OS_ERRNO_HWI_NUM_INVALID; 
    } 
 
#ifdef LOSCFG_NO_SHARED_IRQ //不支持共享中斷 
    ret = OsHwiCreateNoShared(hwiNum, hwiMode, hwiHandler, irqParam); 
#else 
    ret = OsHwiCreateShared(hwiNum, hwiMode, hwiHandler, irqParam); 
#endif 
    return ret; 
} 
//創(chuàng)建一個共享硬件中斷,共享中斷就是一個中斷能觸發(fā)多個響應(yīng)函數(shù) 
STATIC UINT32 OsHwiCreateShared(HWI_HANDLE_T hwiNum, HWI_MODE_T hwiMode, 
                                HWI_PROC_FUNC hwiHandler, const HwiIrqParam *irqParam) 
{ 
    UINT32 intSave; 
    HwiHandleForm *hwiFormNode = NULL; 
    HwiHandleForm *hwiForm = NULL; 
    HwiIrqParam *hwiParam = NULL; 
    HWI_MODE_T modeResult = hwiMode & IRQF_SHARED; 
 
    if (modeResult && ((irqParam == NULL) || (irqParam->pDevId == NULL))) { 
        return OS_ERRNO_HWI_SHARED_ERROR; 
    } 
 
    HWI_LOCK(intSave);//中斷自旋鎖 
 
    hwiForm = &g_hwiForm[hwiNum];//獲取中斷處理項 
    if ((hwiForm->pstNext != NULL) && ((modeResult == 0) || (!(hwiForm->uwParam & IRQF_SHARED)))) { 
        HWI_UNLOCK(intSave); 
        return OS_ERRNO_HWI_SHARED_ERROR; 
    } 
 
    while (hwiForm->pstNext != NULL) {//pstNext指向 共享中斷的各處理函數(shù)節(jié)點,此處一直擼到最后一個 
        hwiForm = hwiForm->pstNext;//找下一個中斷 
        hwiParam = (HwiIrqParam *)(hwiForm->uwParam);//獲取中斷參數(shù),用于檢測該設(shè)備ID是否已經(jīng)有中斷處理函數(shù) 
        if (hwiParam->pDevId == irqParam->pDevId) {//設(shè)備ID一致時,說明設(shè)備對應(yīng)的中斷處理函數(shù)已經(jīng)存在了. 
            HWI_UNLOCK(intSave); 
            return OS_ERRNO_HWI_ALREADY_CREATED; 
        } 
    } 
 
    hwiFormNode = (HwiHandleForm *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, sizeof(HwiHandleForm));//創(chuàng)建一個中斷處理節(jié)點 
    if (hwiFormNode == NULL) { 
        HWI_UNLOCK(intSave); 
        return OS_ERRNO_HWI_NO_MEMORY; 
    } 
 
    hwiFormNode->uwParam = OsHwiCpIrqParam(irqParam);//獲取中斷處理函數(shù)的參數(shù) 
    if (hwiFormNode->uwParam == LOS_NOK) { 
        HWI_UNLOCK(intSave); 
        (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, hwiFormNode); 
        return OS_ERRNO_HWI_NO_MEMORY; 
    } 
 
    hwiFormNode->pfnHook = hwiHandler;//綁定中斷處理函數(shù) 
    hwiFormNode->pstNext = (struct tagHwiHandleForm *)NULL;//指定下一個中斷為NULL,用于后續(xù)遍歷找到最后一個中斷項(見于以上 while (hwiForm->pstNext != NULL)處) 
    hwiForm->pstNext = hwiFormNode;//共享中斷 
 
    if ((irqParam != NULL) && (irqParam->pName != NULL)) { 
        g_hwiFormName[hwiNum] = (CHAR *)irqParam->pName; 
    } 
 
    g_hwiForm[hwiNum].uwParam = modeResult; 
 
    HWI_UNLOCK(intSave); 
    return LOS_OK; 
}

解讀

● 內(nèi)核將硬中斷進行編號,如:

#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER0        33 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER1        33 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER2        34 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER3        34 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER4        35 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER5        35 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER6        36 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER7        36 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_DMAC          60 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_UART0         38 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_UART1         39 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_UART2         40 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_UART3         41 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_UART4         42 
#define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER         NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER4

例如:時鐘節(jié)拍處理函數(shù) OsTickHandler 就是在 HalClockInit中注冊的

//硬時鐘初始化 
VOID HalClockInit(VOID) 
{ 
  // ... 
  (void)LOS_HwiCreate(NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER, 0xa0, 0, OsTickHandler, 0);//注冊O(shè)sTickHandler到中斷向量表  
} 
//節(jié)拍中斷處理函數(shù) ,鴻蒙默認10ms觸發(fā)一次 
  LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID) 
  { 
      UINT32 intSave; 
      TICK_LOCK(intSave);//tick自旋鎖 
      g_tickCount[ArchCurrCpuid()]++;// 累加當(dāng)前CPU核tick數(shù) 
      TICK_UNLOCK(intSave); 
      OsTimesliceCheck();//時間片檢查 
      OsTaskScan(); /* task timeout scan *///掃描超時任務(wù) 例如:delay(300) 
      #if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == YES) 
          OsSwtmrScan();//掃描定時器,查看是否有超時定時器,加入隊列 
      #endif 
  }

● 鴻蒙是支持中斷共享的,在OsHwiCreateShared中,將函數(shù)注冊到g_hwiForm中.中斷向量完成注冊后,就是如何觸發(fā)和回調(diào)的錯誤.觸發(fā)在鴻蒙內(nèi)核源碼分析中斷切換篇中已經(jīng)講清楚,觸發(fā)是從底層匯編向上調(diào)用,調(diào)用的C函數(shù)就是HalIrqHandler

中斷怎么觸發(fā)的?

分兩種情況:

● 通過硬件觸發(fā),比如按鍵,USB的插拔這些中斷源向中斷控制器發(fā)送電信號(高低電平觸發(fā)或是上升/下降沿觸發(fā)),中斷控制器經(jīng)過過濾后將信號發(fā)給對應(yīng)的CPU處理,通過硬件改變PC和CPSR寄存值,直接跳轉(zhuǎn)到中斷向量(固定地址)執(zhí)行.

b   reset_vector            @開機代碼 
 b   _osExceptUndefInstrHdl     @異常處理之CPU碰到不認識的指令 
 b   _osExceptSwiHdl            @異常處理之:軟中斷 
 b   _osExceptPrefetchAbortHdl  @異常處理之:取指異常 
 b   _osExceptDataAbortHdl      @異常處理之:數(shù)據(jù)異常 
 b   _osExceptAddrAbortHdl      @異常處理之:地址異常 
 b   OsIrqHandler               @異常處理之:硬中斷 
 b   _osExceptFiqHdl                @異常處理之:快中斷

● 通過軟件觸發(fā),常見于核間中斷的情況, 核間中斷指的是幾個CPU之間相互通訊的過程.以下為某一個CPU向其他CPU(可以是多個)發(fā)起讓這些CPU重新調(diào)度LOS_MpSchedule的中斷請求信號.最終是寫了中斷控制器的GICD_SGIR寄存器,這是一個由軟件觸發(fā)中斷的寄存器.中斷控制器會將請求分發(fā)給對應(yīng)的CPU處理中斷,即觸發(fā)了OsIrqHandler.

//給參數(shù)CPU發(fā)送調(diào)度信號 
  VOID LOS_MpSchedule(UINT32 target)//target每位對應(yīng)CPU core  
  { 
      UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid(); 
      target &= ~(1U << cpuid);//獲取除了自身之外的其他CPU 
      HalIrqSendIpi(target, LOS_MP_IPI_SCHEDULE);//向CPU發(fā)送調(diào)度信號,核間中斷(Inter-Processor Interrupts),IPI 
  } 
  //SGI軟件觸發(fā)中斷(Software Generated Interrupt)通常用于多核間通訊 
  STATIC VOID GicWriteSgi(UINT32 vector, UINT32 cpuMask, UINT32 filter) 
  { 
      UINT32 val = ((filter & 0x3) << 24) | ((cpuMask & 0xFF) << 16) | 
                  (vector & 0xF); 
 
      GIC_REG_32(GICD_SGIR) = val;//寫SGI寄存器 
  } 
  //向指定核發(fā)送核間中斷 
  VOID HalIrqSendIpi(UINT32 target, UINT32 ipi) 
  { 
      GicWriteSgi(ipi, target, 0); 
  }

中斷統(tǒng)一處理入口函數(shù) HalIrqHandler

//硬中斷統(tǒng)一處理函數(shù)，這里由硬件觸發(fā),調(diào)用見于 ..\arch\arm\arm\src\los_dispatch.S 
VOID HalIrqHandler(VOID) 
{ 
    UINT32 iar = GIC_REG_32(GICC_IAR);//從中斷確認寄存器獲取中斷ID號 
    UINT32 vector = iar & 0x3FFU;//計算中斷向量號 
    /* 
     * invalid irq number, mainly the spurious interrupts 0x3ff, 
     * gicv2 valid irq ranges from 0~1019, we use OS_HWI_MAX_NUM 
     * to do the checking. 
     */ 
    if (vector >= OS_HWI_MAX_NUM) { 
        return; 
    } 
    g_curIrqNum = vector;//記錄當(dāng)前中斷ID號 
    OsInterrupt(vector);//調(diào)用上層中斷處理函數(shù) 
    /* use orignal iar to do the EOI */ 
    GIC_REG_32(GICC_EOIR) = iar;//更新中斷結(jié)束寄存器 
} 
VOID OsInterrupt(UINT32 intNum)//中斷實際處理函數(shù) 
{ 
    HwiHandleForm *hwiForm = NULL; 
    UINT32 *intCnt = NULL; 
 
    intCnt = &g_intCount[ArchCurrCpuid()];//當(dāng)前CPU的中斷總數(shù)量 ++ 
    *intCnt = *intCnt + 1;//@note_why 這里沒看明白為什么要 +1 
 
#ifdef LOSCFG_CPUP_INCLUDE_IRQ //開啟查詢系統(tǒng)CPU的占用率的中斷 
    OsCpupIrqStart();//記錄本次中斷處理開始時間 
#endif 
 
#ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS 
    OsTicklessUpdate(intNum); 
#endif 
    hwiForm = (&g_hwiForm[intNum]);//獲取對應(yīng)中斷的實體 
#ifndef LOSCFG_NO_SHARED_IRQ    //如果沒有定義不共享中斷 ，意思就是如果是共享中斷 
    while (hwiForm->pstNext != NULL) { //一直擼到最后 
        hwiForm = hwiForm->pstNext;//下一個繼續(xù)擼 
#endif 
        if (hwiForm->uwParam) {//有參數(shù)的情況 
            HWI_PROC_FUNC2 func = (HWI_PROC_FUNC2)hwiForm->pfnHook;//獲取回調(diào)函數(shù) 
            if (func != NULL) { 
                UINTPTR *param = (UINTPTR *)(hwiForm->uwParam); 
                func((INT32)(*param), (VOID *)(*(param + 1)));//運行帶參數(shù)的回調(diào)函數(shù) 
            } 
        } else {//木有參數(shù)的情況 
            HWI_PROC_FUNC0 func = (HWI_PROC_FUNC0)hwiForm->pfnHook;//獲取回調(diào)函數(shù) 
            if (func != NULL) { 
                func();//運行回調(diào)函數(shù) 
            } 
        } 
#ifndef LOSCFG_NO_SHARED_IRQ 
    } 
#endif 
    ++g_hwiFormCnt[intNum];//中斷號計數(shù)器總數(shù)累加 
 
    *intCnt = *intCnt - 1;  //@note_why 這里沒看明白為什么要 -1  
#ifdef LOSCFG_CPUP_INCLUDE_IRQ  //開啟查詢系統(tǒng)CPU的占用率的中斷 
    OsCpupIrqEnd(intNum);//記錄中斷處理時間完成時間 
#endif 
}

解讀統(tǒng)一中斷處理函數(shù)是一個通過一個中斷號去找到注冊函數(shù)的過程,分四步走:

● 第一步:取號,這號是由中斷控制器的 GICC_IAR寄存器提供的,這是一個專門保存當(dāng)前中斷號的寄存器.

● 第二步:從注冊表g_hwiForm中查詢注冊函數(shù),同時取出參數(shù).

● 第三步:執(zhí)行函數(shù),也就是回調(diào)注冊函數(shù),分有參和無參兩種情況 func(...),在中斷共享的情況,注冊函數(shù)會指向之后的注冊函數(shù)pstNext,依次執(zhí)行回調(diào)函數(shù),這是中斷共享的實現(xiàn)細節(jié).

typedef struct tagHwiHandleForm {    
      HWI_PROC_FUNC pfnHook;    //中斷處理函數(shù) 
      HWI_ARG_T uwParam;        //中斷處理函數(shù)參數(shù) 
      struct tagHwiHandleForm *pstNext; //節(jié)點，指向下一個中斷,用于共享中斷的情況 
} HwiHandleForm;

● 第四步:銷號,本次中斷完成了就需要消除記錄,中斷控制器也有專門的銷號寄存器GICC_EOIR

● 另外的是一些統(tǒng)一數(shù)據(jù),每次中斷號處理內(nèi)核都會記錄次數(shù),和耗時,以便定位/跟蹤/診斷錯誤.