ARM64基础13:ARM64的异常处理之中断处理(以树莓派4采用的BCM2711芯片为例)

灰太狼 2022-09-12 09:51 175阅读 0赞

ARM64的中断属于异常模式的一种，对中断的处理流程跟上节的异常处理类似，走其中的一个分支；

树莓派4b的中断控制器分两种：**传统的中断方式legacy interrupt**和**GIC(BCM2711支持GIC-400)**；

一个典型的ARM64中断处理流程：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

# 树莓派4b上的硬件资源： #

## 1.中断控制器： ##

GIC-400（默认）  
传统的中断控制器(legacy interrupt controller)

## 2.树莓派4b支持多种中断源： ##

**ARM Core N**: ARM Core本身的中断源，例如Core里的generic timer;  
**ARMC**: 可以被VPU和CPU访问的中断源，例如mailbox；  
**ARM\_LOCAL**： 只能被CPU访问的中断源，例如本地timer等；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

## 3.树莓派4b的legacy中断控制器 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

实例：以ARM Core的generic timer产生中断信号

## 3.1 Cortex-A72支持4个ARM Core的generic timer ##

![CNT\_PS\_IRQ:][CNT_PS_IRQ]  
这里采用Nonsecure EL1 Physical Timer，演示中断处理过程；  
查看ARMv8手册，第一个是**EL1 TIMER的控制寄存器CNTP\_CTL\_EL0；**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
**计数器寄存器CNTP\_TVAL\_EL0**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
Timer支持两种触发方式，参考armv8\_D11.2.4;

## 3.2 ARM\_LOCAL寄存器有： ##

4个IRQ\_SOURCE寄存器，每个CPU一个，表示IRQ中断源状态；  
4个FIQ\_SOURCE寄存器，每个CPU一个，表示FIQ中断源状态；  
4个TIMER\_CNTRL寄存器，每个CPU一个，用来使能对应中断源；

**1.查看BCM2711手册可知，ARM\_LOCAL基地址为0x4c000000或0xff800000**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
**对于IRQ\_SOURCE寄存器，可以读取对应中断源状态**；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]  
**TIMER\_CNTRL寄存器用来使能中断响应**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]

## 3.3 EL1的Nonsecure generic timer中断处理流程 ##

### 初始化 ###

1.初始化timer，设置cntp\_ctl\_el0寄存器的enable域使能；  
2.给timer的TimeValue一个初值，设置cntp\_tval\_el0寄存器；  
3.打开树莓派b4中断控制器中和timer相关的中断，设置TIMER\_CNTRL0寄存器的CNT\_PNS\_IRQ为1；  
4.打开PSTATE寄存器中的IRQ中断总开关；

### 异常中断处理 ###

5.Timer中断发生；  
6.跳转到异常向量表的el1\_irq1函数；  
7.保存中断上下文(kernel\_entry宏)；  
8.跳转到中断处理函数；  
9.读取ARM\_LOCAL中断状态寄存器IRQ\_SOURCE0；  
10.判断中断源，是否为CNT\_PNS\_IRQ中断；  
11.如果是CNT\_PNS\_IRQ，重置TimerValue；

### 返回现场 ###

12.返回到el1\_irq函数；  
13.恢复中断上下文；  
14.返回中断现场

### 中断源的判断： ###

以一个稍微复杂的中断源为例，根据树莓派4b BCM2711手册：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]  
由上图可知，最多分三级：  
1.读SOURCEn中断寄存器；  
2.若SOURCEn\[8\]置位，继续读取PENDING2寄存器；  
3.若PENDING2\[24\]置位，则读PENDING0寄存器；  
4.若PENDING2\[25\]置位，则读PENDING1寄存器；

可见当中断源数量增加到一定程度，中断处理程序将会变得十分繁杂，**GIC控制器**就是为解决这个问题而生，下篇将详细介绍；

## 3.4 中断现场(上下文) ##

### 3.4.1 中断上下文内容 ###

中断发生瞬间，CPU状态包括：  
PSTATE寄存器  
PC值  
SP值  
X0~X30寄存器

Linux使用一个栈框数据结构来描述需要保存的中断现场；![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8]

### 3.4.2 保存中断现场 ###

中断发生时，中断上下文保存到当前进程的内核栈里；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center 1]  
代码实现：

.macro kernel_entry
    	sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE
    
    	/* 保存通用寄存器x0~x29到栈框里pt_regs->x0~x29 */
    	stp x0, x1, [sp, #16 *0]
    	stp x2, x3, [sp, #16 *1]
    	stp x4, x5, [sp, #16 *2]
    	stp x6, x7, [sp, #16 *3]
    	stp x8, x9, [sp, #16 *4]
    	stp x10, x11, [sp, #16 *5]
    	stp x12, x13, [sp, #16 *6]
    	stp x14, x15, [sp, #16 *7]
    	stp x16, x17, [sp, #16 *8]
    	stp x18, x19, [sp, #16 *9]
    	stp x20, x21, [sp, #16 *10]
    	stp x22, x23, [sp, #16 *11]
    	stp x24, x25, [sp, #16 *12]
    	stp x26, x27, [sp, #16 *13]
    	stp x28, x29, [sp, #16 *14]
    
    	/* x21: 栈顶 的位置*/
    	add     x21, sp, #S_FRAME_SIZE
    
    	mrs     x22, elr_el1
    	mrs     x23, spsr_el1
    
    	/* 把lr保存到pt_regs->lr, 把sp保存到pt_regs->sp位置*/
    	stp     lr, x21, [sp, #S_LR]
    	/* 把elr_el1保存到pt_regs->pc中 把spsr_elr保存到pt_regs->pstate中*/
    	stp     x22, x23, [sp, #S_PC]
    	.endm

### 3.4.3 恢复中断现场 ###

中断处理完成后，从内核栈中恢复中断现场；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center 2]  
代码实现：

.macro kernel_exit
    	/* 从pt_regs->pc中恢复elr_el1, 从pt_regs->pstate中恢复spsr_el1 */
    	ldp     x21, x22, [sp, #S_PC]           // load ELR, SPSR
    
    	msr     elr_el1, x21                    // set up the return data
    	msr     spsr_el1, x22
    	ldp     x0, x1, [sp, #16 * 0]
    	ldp     x2, x3, [sp, #16 * 1]
    	ldp     x4, x5, [sp, #16 * 2]
    	ldp     x6, x7, [sp, #16 * 3]
    	ldp     x8, x9, [sp, #16 * 4]
    	ldp     x10, x11, [sp, #16 * 5]
    	ldp     x12, x13, [sp, #16 * 6]
    	ldp     x14, x15, [sp, #16 * 7]
    	ldp     x16, x17, [sp, #16 * 8]
    	ldp     x18, x19, [sp, #16 * 9]
    	ldp     x20, x21, [sp, #16 * 10]
    	ldp     x22, x23, [sp, #16 * 11]
    	ldp     x24, x25, [sp, #16 * 12]
    	ldp     x26, x27, [sp, #16 * 13]
    	ldp     x28, x29, [sp, #16 * 14]
    
    
    	/* 从pt_regs->lr中恢复lr*/
    	ldr     lr, [sp, #S_LR]
    	add     sp, sp, #S_FRAME_SIZE           // restore sp
    	eret
    	.endm

## 3.5 实例代码： ##

在树莓派上实现generic timer, 关键代码  
timer初始化

#include <asm/timer.h>
    #include <asm/irq.h>
    #include <io.h>
    #include <asm/arm_local_reg.h>
    #include <timer.h>
    
    #define HZ 250
    #define NSEC_PER_SEC 6000000000L
    
    static unsigned int val = NSEC_PER_SEC / HZ;
    
    static int generic_timer_init(void)
    { 
    	asm volatile(
    		"mov x0, #1\n"
    		"msr cntp_ctl_el0, x0"
    		:
    		:
    		: "memory");
    
    	return 0;
    }
    
    static int generic_timer_reset(unsigned int val)
    { 
    	asm volatile(
    		"msr cntp_tval_el0, %x[timer_val]"
    		:
    		: [timer_val] "r" (val)
    		: "memory");
    
    	return 0;
    }
    
    static void enable_timer_interrupt(void)
    { 
    	writel(CNT_PNS_IRQ, TIMER_CNTRL0);
    }
    
    void timer_init(void)
    { 
    	generic_timer_init();
    	generic_timer_reset(val);
    
    	enable_timer_interrupt();
    }
    
    void handle_timer_irq(void)
    { 
    	generic_timer_reset(val);
    	printk("Core0 Timer interrupt received\r\n");
    }

中断服务程序：

#include <asm/irq.h>
    #include <io.h>
    #include <asm/arm_local_reg.h>
    
    void irq_handle(void)
    { 
    	unsigned int irq = readl(ARM_LOCAL_IRQ_SOURCE0);
    
    	switch (irq) { 
    	case (CNT_PNS_IRQ):
    		handle_timer_irq();
    		break;
    	default:
    		printk("Unknown pending irq: %x\r\n", irq);
    	}
    }

主应用程序：

void kernel_main(void)
    { 
    	uart_init();
    	init_printk_done();
    	uart_send_string("Welcome BenOS!\r\n");
    	printk("printk init done\n");
    
    	//my_ldr_test();
    	my_data_process();
    	//my_cmp_test();
    	//other_test();
    	print_func_name(0x800880);
    	//unsigned long val1 = 0,val2=0;
    	//val1 = macro_test1(3,5);
    	//val2 = macro_test2(3,5);
    
    	print_memmap();
    
    	my_memcpy_asm_test(0x80000, 0x100000, 32);
    
    	my_memset_16bytes_asm(0x600000,0xaabbccdd,4096);
    
    
    
    	//test_asm_goto(1);
    
    	//trigger_alignment();
    	
    	printk("init done\n");
    	timer_init(); //初始化timer
    	raw_local_irq_enable();//启动timer
    
    	my_ops_test();
    
    	test_sysregs();
    	int count=0;
    	while (1) { 
    		//uart_send(uart_recv());
    		printk("printk while...%ds\n",count++);
    		delay_s(1);
    	}
    }

## 3.6在qemu上模拟结果如下： ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]: /images/20220828/debe6679e6d44fbbaeb2643256394470.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/66e30f335a76487ba40228d4fda77e18.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220828/7e5516339b5e4bf3b95c82e0fb7fef71.png
[CNT_PS_IRQ]: /images/20220828/59b2ecf4ade84f4da56e4f68add99a2c.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]: /images/20220828/8b90731ba02b413f884983c3320fd2da.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]: /images/20220828/9190e9daa72f4d6485f6a6cc55955b42.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]: /images/20220828/c26710c1bbde45699c4cedb43014bfb3.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]: /images/20220828/a5e584408e9b42dfb645d1b83908c714.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]: /images/20220828/77357ae0c88b4d788af007d6547c446d.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]: /images/20220828/2d52cff883f14d2498b91a3bf59ca5b0.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8]: /images/20220828/b95d9bb5794c40fbb93c8214889c4002.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center 1]: /images/20220828/04cbd07c696a471791706964fad9e216.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center 2]: /images/20220828/aa222ffc070c4a86ba74658d75d5422c.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56eR5a2m6L6555WM_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/9cad29d185ee4c25865ee174361874ee.png