Linux x86_64 APIC中断路由机制分析

不同CPU体系间的中断控制器工作原理有较大差异，本文是《Linux mips64r2 PCI中断路由机制分析》的姊妹篇，主要分析Broadwell-DE X86_64 APIC中断路由原理、中断配置和处理过程，并尝试回答如下问题：

为什么x86中断路由使用IO-APIC/LAPIC框架，其有什么价值?
pin/irq/vector的区别、作用，取值范围和分配机制？

x86_64 APIC关键概念

此处的pin特指APIC的中断输入引脚，与内外部设备的中断输入信号相连。从上图中可以看出，Pin的最大值受APIC管脚数限制，目前取值范围是[0,23]。其中[0, 15]这16个pin，基于与PIC兼容等原因考虑，有固定用途；PIRQ[A..H]这8个引脚为PCI IRQ引脚，为PCI设备提供中断路由，其中PIRQ[A..D]为纯中断引脚，PIRQ[E..H]可配置为中断引脚或GPIO引脚。

内部设备中断路由到哪个PIRQ，可以通过DxxIR(Device XX Interrupt Route Register)寄存器设置；外部设备使用哪个APIC引脚，在硬件PCB设计时即固定下来。

为什么设备中断要经过APIC再与CPU相连，而不直接与CPU相连？原因有二：1）存在大量的外部设备，但CPU的中断引脚等资源是很有限的，满足不了所有的直连需求；2）如果设备中断与CPU直接相连，连接关系随硬件固化，这样在MP系统中，中断负载均衡等需求就无法实现了。

Vector

Vector是CPU的概念，以CPU核的角度看，其以vector标识中断，详见下节中断路由原理介绍。

vector是IDT表（idt_table）的索引。

gate_desc idt_table[NR_VECTORS] __page_aligned_data = { { { { ,  } } }, };

vector的个数由硬件决定，从上图可知，Broadwell-DE X86_64支持最多256个vector。其中前32个为系统保留使用，其他由操作系统动态分配。

vector提供优先级和亲和性绑定的支持，vector的高4位为优先级，0最低，15最高。CPU只处理优先级高于LAPIC TPR值的vector中断。

为什么在irq之外，又增加个vector概念，两者是否可以合二为一？不可以，原因主要是：vector是针对每个CPU核的，描述每个CPU核对上报中断的优先级处理和亲和性关系；而irq是全局的，它维护所有CPU核上的中断处理相关信息。

IRQ

在PIC和单核时代，irq、vector、pin这个概念的确是合三为一的，irq就是PIC控制器的pin引脚，irq也暗示着中断优先级，例如IRQ0比IRQ3有着更高的优先级。当进入MP多核时代，多核CPU下中断处理带来很多问题（如如何决定哪个中断在哪个核上处理，如何保证各核上中断负载均衡等），为了解决这些问题，vector、pin等概念都从irq中剥离出来，irq不再含有特定体系架构下中断控制器的硬件属性，只是内核中对中断的一个通用的软件抽象，与特定硬件解耦，增强其通用性。在内核中，irq号做为中断的抽象表达，其功能包括：

对所有cpu核上的中断进行统一编码，确保不同cpu核上相同中断的irq号不重复；
作为中断相关信息的查询码，如通过irq号可以获得中断控制器对象struct mpic，可以获得中断描述符对象irq_desc，可以获得硬件中断号等等。

irq的总数由下面的方式计算得出，nr_irqs为所有cpu核支持的中断总数，NR_IRQS为nr_irqs的初始值。

当irq很大时，静态分配irq_desc表将不是个明智的决定，这时内核会使用radix tree来组织irq_desc，即irq_desc_tree

nr_irqs_gsi =
nr_cpu_ids =
X = The number of irq sources we can talk about = nr_irqs_gsi+*nr_cpu_ids+nr_irqs_gsi* =
Y = The number of irqs we can possibly service = NR_VECTORS*nr_cpu_ids =
nr_irqs = min(X, Y) = min(,) = 
 
NR_VECTORS =
NR_CPUS =
CPU_VECTOR_LIMIT =  * NR_CPUS =  * nr_cpu_ids =
MAX_IO_APICS =
IO_APIC_VECTOR_LIMIT =  * MAX_IO_APICS =
NR_IRQS = NR_VECTORS + max(CPU_VECTOR_LIMIT,IO_APIC_VECTOR_LIMIT) =

最后，总结一下，这几个中断概念的关系和作用描述，如下图：

x86_64 PCI设备中断路由原理

如上图所示，local APIC通过 I/O APIC接受中断，I/O APIC负责把中断处理成中断消息并按一定规则转发给local APIC。

如上图所示，local APIC提供the interrupt request register (IRR) 和 in-service register (ISR) 2个寄存器，在处理一个vector的同时，缓存一个相同的vector，vector通过2个256-bit的寄存器标识，256个bit代表256个可能的vector，置1表示上报了相应的vector请求处理或者正在处理中。

local APIC以vector值作为优先级顺序来处理中断。每个vector为8-bit，高4位作为中断优先级，1最低，15最高。vector 0-31为Intel 64 and IA-32体系保留专用，所以可用的中断优先级为2-15。

另外，local APIC提供Task-Priority Register (TPR)，Processor-Priority Register (PPR)来设置local APIC的task优先级和cpu优先级，但I/O APIC转发的中断vector优先级小于local APIC TPR的设置时，此中断不能打断当前CPU核上运行的task；当中断vector优先级小于local APIC PPR的设置时，此CPU核不处理此中断。操作系统通过动态设置TPR和PPR，从而实现操作系统的实时性需求和中断负载均衡需求。

中断处理过程

Broadwell-DE X86_64的中断处理过程基本和《Linux mips64r2 PCI中断路由机制分析》的类似，不同点是x86_64从ax寄存器中获取需要处理的中断vector，而不是从APIC的特定寄存器中获取。然后从vector_irq数组中根据vector查询到对于的irq号。

unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
    struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
 
    /* high bit used in ret_from_ code  */
    unsigned vector = ~regs->orig_ax;
    unsigned irq;
 
    irq_enter();
    exit_idle();
 
    irq = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);
 
    if (!handle_irq(irq, regs)) {
        ack_APIC_irq();
 
        if (printk_ratelimit())
            pr_emerg("%s: %d.%d No irq handler for vector (irq %d)\n",
                __func__, smp_processor_id(), vector, irq);
    }
 
    irq_exit();
 
    set_irq_regs(old_regs);
    return ;
}

中断配置过程

动态分配irq，以IRQ_BITMAP_BITS (NR_IRQS + 8196) bitmap数据结构管理；
动态分配vector，为保证最大利用local APIC上vector优先级，减少具有相同vector优先级的中断，以16为间隔依次分配vector；
配置vector与irq的映射表：vector_irq表；
初始化irq_desc；
配置APIC PIRQ[A..H] pin脚属性；
配置I/O APIC pin与vector 映射表：REDIR_TBL寄存器；共有24个REDIR_TBL条目，与24个pin脚对应。除了定义相应的vector以外，还支持定义中断引脚具有如下功能：定义此引脚中断通过I/O APIC上报给指定的local APIC或local APIC组；中断触发模式；中断屏蔽等。详见下表。

附：相关数据结构：

typedef struct gate_struct64 gate_desc;
 
/* 16byte gate */
struct gate_struct64 {
    u16 offset_low;
    u16 segment;
    unsigned ist : , zero0 : , type : , dpl : , p : ;
    u16 offset_middle;
    u32 offset_high;
    u32 zero1;
} __attribute__((packed));
 
struct irq_desc {
    struct irq_data        irq_data;
    unsigned int __percpu    *kstat_irqs;
    irq_flow_handler_t    handle_irq;
#ifdef CONFIG_IRQ_PREFLOW_FASTEOI
    irq_preflow_handler_t    preflow_handler;
#endif
    struct irqaction    *action;    /* IRQ action list */
    unsigned int        status_use_accessors;
    unsigned int        core_internal_state__do_not_mess_with_it;
    unsigned int        depth;        /* nested irq disables */
    unsigned int        wake_depth;    /* nested wake enables */
    unsigned int        irq_count;    /* For detecting broken IRQs */
    unsigned long        last_unhandled;    /* Aging timer for unhandled count */
    unsigned int        irqs_unhandled;
    u64            random_ip;
    raw_spinlock_t        lock;
    struct cpumask        *percpu_enabled;
#ifdef CONFIG_SMP
    const struct cpumask    *affinity_hint;
    struct irq_affinity_notify *affinity_notify;
#ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ
    cpumask_var_t        pending_mask;
#endif
#endif
    unsigned long        threads_oneshot;
    atomic_t        threads_active;
    wait_queue_head_t       wait_for_threads;
#ifdef CONFIG_PROC_FS
    struct proc_dir_entry    *dir;
#endif
    int            parent_irq;
    struct module        *owner;
    const char        *name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;
 
#ifndef CONFIG_SPARSE_IRQ
extern struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS];
#endif
 
static RADIX_TREE(irq_desc_tree, GFP_KERNEL);

--EOF--