ARM Linuxの割り込み機構の解析

--ユーザーモードによるirq割り込みの生成例

以下のコードは、kernel linux 2.6.38.3 (trimslice website download)をベースにしています。

ARMにおける割り込み発生時の処理の流れを解析し、usr状態のIRQ、すなわちusr-> irqを例にとって説明します。

1. カーネル例外ベクトルテーブルの初期化

1.1 初期化の一般的な流れ

ARM linuxカーネルが起動すると、最初に実行されるのは linux/arch/arm/kernel/head. 次に main.c->start_kernel() 関数が呼ばれ、trap_init() (または初期化用の early_trap_init()) 、割り込み初期化用の init_IRQ() 、例外ベクタテーブルが続きます。

1.2 例外ベクトルテーブルの作成

例外ベクタテーブルの構築はコピー処理であり、カーネルコードをロケーション非依存で記述するためには、いくつかの注意点がある。

1.2.1 例外ベクトルテーブルのベースアドレス決定

ARM V4およびV4T以降のほとんどのプロセッサでは、割り込みベクタテーブルは、0x00000000と0xffff0000の2つの場所を持つことができます。CP15コプロセッサc1レジスタのVビット（ビット[13]）で制御できます。

V=0 ~ 0x00000000~0x0000001C

V=1 ~ 0xffff0000~0xffff001C

注意事項 CP15 コントロールレジスタの詳細については arm armb4-1690 です。

例外ベクトルテーブルを初期化する前に実行するファイル linux/arch/arm/kernel/head. が設定されているのは CP15 レジスタに ~/arch/arm/mm/proc-v7. このファイル __v7_setup 関数）、ここでは CP15 の c1 このレジスタは、例外ベクトルテーブルのベースアドレスを決定した( 0xffff0000 ).

1.2.2 例外ベクトルテーブルのコピー処理

カーネルコードのコンパイル・生成後、例外ベクタテーブルを指定した場所（0x00000000または0xffff0000）にコピーする必要があるため、カーネル内の例外ベクタテーブルを場所に依存しないように設計する必要があります。

今回使用したバージョンのカーネルでは、trap_init()の代わりにearly_trap_init()を使用して例外の初期化を行っています。

early_trap_init()はlinux/arch/arm/kernel/traps.cにあり、以下のようなコードになっています。

1. CONFIG_VECTORS_BASE はプロセッサモデルが決定された後に決定され、その値はカーネルが設定され .config ファイルに保存された後に自動生成されます。この記事では、maketrimslice_deconfigの後に自動生成される.configに定義されているカーネルバージョンを使用します。config_vectors_base= 0xffff0000 つまり、例外ベクトルテーブルのベースアドレスは0xffff0000です。

<テーブル

以下は、__vectors_start, __vectors_end, __stubs_end__stubs_start の定義である。

<テーブル

arch/arm/kernel/entry-armv.S

         .グロブル       __vectors_start

__vectors_startです。

 ARM( swi SYS_ERROR0 )

 THUMB( svc #0 )

 THUMB( nop )

         W(b) vector_und + stubs_offset

         W(ldr) pc, .LCvswi + stubs_offset

         W(b) vector_pabt + stubs_offset

         W(b) vector_dabt + stubs_offset

         W(b) vector_addrexcptn + stubs_offset

         W(b) vector_irq + stubs_offset

         W(b) vector_fiq + stubs_offset

         .グロブル       __vectors_end

         .グロブル       __stubs_start

__stubs_startです。

/*

 * 割り込みディスパッチャ

 */

        vector stub irq,IRQ_MODE,4 //v <スパン エクタースタブ は、コードブロックに展開され、その直後にジャンプテーブルが続くマクロです

          .long __irq_usr @ 0 (USR_26 / USR_32)

         .long __irq_invalid @ 1 (FIQ_26 / FIQ_32)

         .long __irq_invalid @ 2 (IRQ_26 / IRQ_32)

         .long __irq_svc @ 3 (SVC_26 / SVC_32)

         .long __irq_invalid @ 4

......

......

......

......

         .グロブル       __stubs_end

__stubs_endです。

.equ stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start

vector_stub irq, IRQ_MODE, 4  以下のように展開されます。

// -------------------------------- begin Expand

.align 5                // 例外エントリーを強制的に 2^5 バイトアライメント、すなわち キャッシュライン サイズアライメント、パフォーマンス上の理由

vector_irqです。

       sub lr, lr, 4         <スパン // 調整が必要 ピーシー の場合、戻り値は irq となる例外が発生します。 lr マイナス 4 その他の例外については、別の調整が必要です

       r0、lr_<exception>（親PC）、spsr_<exception>を保存します。

       (親CPSR)

       @

       Stmia sp, {r0, lr}. 保存 r0, lr

       lrさん、spsrさん

       str lr, [sp, #8] @ save spsr 

       SVC32 モードの準備をします。IRQは無効のままです。

       @

       r0さん、cpsrさん

       eor r0, r0, IRQ_MODE ^ SVC_MODE)

       msr spsr_cxsf, r0

       ブランチテーブルは、このコードの直後になければなりません。

       @

       とlr, lr, #0x0f

       mov r0, sp

       ldr lr、[PC、lr、lsl #2] 。

       movs pc, lr @ SVCモードのハンドラへ分岐

       // -------------------------------- end Expand

例外ベクトルテーブルをコピーする処理は、以下のように図にするとより分かりやすく表現できます。

図1 ベクターテーブルの移動とオフセットの計算の説明図

図1の注意点：上2本の横線の方向はアドレスの増加方向、下はCode/Loadビューで、移動前の生成バイナリカーネル内のコード構成、上のExecビューはメモリ上で実行開始後のコード割り当てを表しています。

2. ARMの例外、割り込みに対するLinuxの処理フロー

2.1 IRQ発生時にハードウェアが行う操作

R14_irq= 次に実行される命令のアドレス + 4/* レジスタlr_modeをリターンアドレスに設定 */。

       SPSR_irq = CPSR /* 現在のプロセッサの状態、割り込みマスクビット、各条件フラグビットを保存 */。

       CPSR[4:0] = 0b10010 /* 現在のプログラムステータスレジスタCPSRの対応するビットをIRQモードに設定する */

       CPSR[5] = 0 /* ARM 状態で実行 */

                                                 /*CPSR[6] は変更されません*/。

       CPSR[7] = 1 /* 通常の割り込みを無効にする */。

       ハイベクターが設定されている場合

              PC=0xFFFF0018 /* プログラムカウンタ（PC）の値をこの例外割り込みの割り込みベクタアドレスに設定し、以下の処理を行います。

* ARMv7 のベクタテーブルでは 0xFFFF0018 が一般的で、代わりに適切な例外割り込みハンドラにジャンプします。

*/

       さもなくば

              PC=0x00000018

2.2 コマンドフロージャンプ処理

上記CPUの動作が完了した後、PCは0xFFFF0018にジャンプし、そのアドレスは、命令 W(b) vector_irq + stubs_offset いるアドレスです。その後、次のようにジャンプします。 vector_stub irq,IRQ_MODE, 4 は、その で、適切な例外・割込み処理関数を実行します。

次に、具体的にコードを見てみましょう。

<テーブル

stubs_offsetはジャンプアドレスを固定するためのオフセットで、主な処理はvector_irqで行われます。 vector_irqはマクロvector_stub irq,IRQ_MODE,4( IRQ_MODEはincludeasmanthus.hで定義されています。0x12 ) が生成されます。以下は、vector_irq生成後のコードです。 ( アセンブリコードでは @ で始まるステートメント // , /**/ どちらもコメントを表す ) :

<テーブル

iso-or 演算は位置の入れ替えが可能で、つまり A^B^C は A^C^B と等価です。つまり、ここではr0^( IRQ_MODE ^ SVC_MODE| PSR_ISETSTATE)はr0^ IRQ_MODE ^SVC_MODEと同等で、r0のモードビット下位5ビットはIRQ_MODEと同じなのでr0^ IRQ_MODEの演算結果の下位5ビットは全て0クリアされて、^SVC_MODEとなる。 という低い 5 ビットに設定されます。 SVC_MODE は、その その他のビットは変更しない。

<テーブル

sp は SVC32 モードでのスタックポインタです。ここでは r0 に移動しており、C 関数の第 1 引数 pt_regs として使用することができます。

pcは現在地＋8で、このコードの直後のジャンプテーブルのベースアドレスです。lrはジャンプテーブルのインデックスに使われ、1エントリーが4バイトなので、lrを2つ左にシフトしたものが*4と等価です。usrモードからirqモードに入る場合は、lr=pc+4*0、svcモードからirqに入る場合は、lr=pc+4*3、つまり __irq_svc のアドレス、他のアドレスは __irq_invalid エラー処理、他のモードからはirq例外には入れないためです。

ここでは、irqへのエントリーがusrからだと仮定して、ジャンプテーブルの最初の命令を実行する。ARMv4は3レベルパイプライン構造なので、ジャンプのベースアドレスは現在のpcであり、常に現在の命令の次の2命令のアドレスを指します。後のバージョンで命令パイプラインは5レベル、8レベルに拡張されたが、この機能は常に互換性があるものとして扱われてきた。すなわち、pc(escape) = pc(fetch) + 8、ここで： pc(fetch) は現在実行中の命令で、前に命令をフェッチしたときのPCの値、 pc(execute) は現在実行中の命令、計算で pc が使われていれば、このときのPCの値である。

いつ 動く 命令のターゲット・レジスタは PC で始まり、コマンドは S が終了すると、その時点で spsr の値は cpsr というのは、現在のspsrはr0の値を保持しており、これがsvcモードであることは前述したとおりです。つまり、この命令はプロセッサのモードをsvcモードに変更しながら__irq_usrにジャンプしていることになります。 例外処理は svc このパターンの理由は、例外処理は必ず PL1 特権レベル。ネストされた割り込みを有効にするもう一つの理由。 . 正確な理由は質問4で説明しています。__irq_svc と __irq_invalid については、ここでは触れません。

<テーブル

図 2 IRQ 割り込み処理ジャンプ回路図

なお、以下の動作はすべて svc パターンを借用する必要があるため SVC モード ISP の処理を行うので、すべての SVC にモード中のレジスタを 対向車線 スタックに格納し、最後に割込みサービスルーチン( ISP ) irq_handler .

2.2.1 __irq_usr

<テーブル

次に、各機能を個別に見てみましょう

<テーブル

pt_regs 構造体の定義で、後で使用する。

<テーブル

.マクロ      usr_entry   //usr_entry マクロの定義

 UNWIND(.fnstart )

 UNWIND(.cantunwind ) @ ユーザースペースを巻き戻さない

sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE          S_FRAME_SIZE で定義されています。 trimslice-kernel-archarm-offsets.c で S_FRAME_SIZE は次のように定義されます。 <スパン sizeof(struct pt_regs) のサイズを指定します。 =18*4=72 となるバイト svc32 スタックポインタが1つ移動する pt_regs 保持するための構造体の大きさ サービス モードでの登録サイトです。

ARM( stmib sp, {r1 - r12} )  @ は、その svc32 レジスタサイトをスタックに保存

 THUMB( stmia sp, {r0 - r12} )

         ldmia r0, {r3 - r5}.      @ フロント r0 に格納される。 アイラック モードのスタックポインタ sp の値は r0-r2 に格納します。 r3-r5 で

         add r0, sp, #S_PC            インターロック回避のためここに <スパン インターロック回避のため、ここに S_PC として定義されています。 offsetof(struct pt_regs, ARM_pc) ここで

<スパン ここから次の例を挙げますvia 追加 ディレクティブは r0 を指します。 ARM_pc

         mov r6, #-1 @.  r6 で保存 <スパン -1

         str r3, [sp] @ コピーされたquot;real" r0を保存します。 割り込みスタックからrealを削除 r0 保存先 <スパン pt_regs->r0 での

                                            例外スタックから

2.2.2 usr_entry

<テーブル

上記の命令をまとめると以下のようになり、一般レジスタr1～r12がARM_r1～ARM_r12にセーブされ、これは割り込み発生時にレジスタr1～r12をセーブすることと等価です。次に、r0、lr_irq、spsr_irqは割り込み発生時にr1〜r3にセーブされ、r4には次に使用する値-1が代入されます。次にr0をARM_r0に、lr_irq、spsr_irq、-1をARM_pc ARM_cpsr ARM_ORIG_R0に保存します。stmdb命令中の"^"に注目すると、sp_usrとlr_usrをそれぞれARM_sp、ARM_lrに保存しますが、明らかにすべての割り込みは、割り込み時にここにレジスタ保存されていることがわかります。

<イグ

図 3 割り込みスタックの保存

2.2.3 get_thread_info

get_thread_info マクロは、現在の sp の値に基づいて、13 ビットをそれぞれ lsr と lsl だけ右に、左にシフトします。これは sp を 8K アライメントに切り下げることと同じです。これは、thread_info が配置されるアドレスでもあります。

<テーブル

<テーブル

linux/arch/arm/kernel/entry-armv.S

/*

 * r7, r8, r9 を保持する。

 */

         .マクロ     irq_handler

#ifdef CONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER

         ldr r5, =handle_arch_irq

         mov r0, sp

         ldr r5, [r5]の場合

         adr lr, BSYM(9997f)

         teq r5, #0

         movne pc, r5

#endif

arch_irq_handler_default

9997:

         .endm

2.2.4 irq_handler

linux/arch/arm/kernel/entry-armv.S

/*

 * r7, r8, r9 を保持する。

 */

         .マクロ     irq_handler

#ifdefCONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER

         ldr r5,=handle_arch_irq

         mov r0,sp

         ldr r5,[r5] （※）。

         adr lr,BSYM(9997f)

         teq r5,#0

         movne pc,r5

#endif

arch_irq_handler_default

9997:

         .endm

2.2.5 arch_irq_handler_default

irq_handler は実際の IRQ 割り込み処理エントリで、割り込み処理では r7, r8, r9 レジスタを予約する必要があります。これらはカーネルプリエンプションを処理するために使用されます。MULTI_IRQ_HANDLER が設定されていない場合、irq_handler のロジックは単純で、単に arch_irq_handler_default を呼び出すだけです。

このオプションが設定されている場合、プラットフォームコードはグローバル変数: handle_arch_irq を変更することができ、ここではデフォルトの実装についてのみ説明します。

<テーブル