UEFI中的中斷處理流程

1

中斷向量表

你有沒(méi)有好奇過(guò)，0內(nèi)存地址開(kāi)始放了些什么東西呢？畢竟是最開(kāi)始就要用的東西，一定非常重要！沒(méi)錯(cuò)，那里就是中斷向量表的家。在8086開(kāi)始，中斷向量表就占據(jù)這里，甚至在我們最新時(shí)髦的酷睿x代，它們還在這里。想不想看看這個(gè)頑固的家伙的樣子？寫(xiě)個(gè)簡(jiǎn)單的 程序：

long *p = (long *) 0;

printf(“%x”, *p);

運(yùn)行下看看。不出所料你的程序?qū)a(chǎn)生一個(gè)異常，導(dǎo)致被強(qiáng)制關(guān)閉。還記得我們前面講過(guò)地址轉(zhuǎn)換，這個(gè)0地址是虛擬地址而不是物理地址，在保護(hù)模式下0的虛擬地址訪問(wèn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常，你是訪問(wèn)不到物理0地址的。我們?cè)趦?nèi)核模式使用一些技巧或者我們進(jìn)入實(shí)模式，我們才能看到它們。每個(gè)中斷向量（vector）占據(jù)4個(gè)字節(jié)，Intel定義了256個(gè)向量，共用去1KB的內(nèi)存空間。每個(gè)向量樸實(shí)無(wú)華，就是一個(gè)地址，指向該中斷（INT）處理函數(shù)的入口，這也是它起名vector的原因。整個(gè)中斷向量表就是一個(gè)大函數(shù)指針表，一個(gè)中斷發(fā)生，CPU硬件就來(lái)這里查表，跳到相應(yīng)地址就行了，好方便！實(shí)際情況稍微復(fù)雜點(diǎn)，CPU還要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，將當(dāng)前環(huán)境保存起來(lái)（一些寄存器和返回地址等壓棧），以便處理完后返回現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)執(zhí)行。不過(guò)相對(duì)于我們接下來(lái)的保護(hù)模式的中斷處理簡(jiǎn)單很多。沒(méi)錯(cuò)，這個(gè)史前遺跡只在實(shí)模式發(fā)揮作用，我們只草草看看它的樣子就行了：

這里主要是異常處理

硬件中斷向量一區(qū)。和我們上文的8259連接兩相對(duì)照一下：

沒(méi)錯(cuò)，這里就是主8259的IRQ的中斷向量區(qū)。接下來(lái)就是BIOS保留區(qū)，作為介紹BIOS的專區(qū)，這里必須看一下：

PC傳統(tǒng)Legacy BIOS的服務(wù)例程都在這里?？吹剿鼈儾粍龠駠u，曾經(jīng)INT 10H打字和INT 13H讀寫(xiě)磁盤(pán)的美（YUAN）好（SHI）日子又浮現(xiàn)在眼前。。。不好，這是個(gè)暴露年齡的話題，后面我們就不講了，下課。

開(kāi)個(gè)玩笑，不過(guò)中斷向量表今天也只在UEFI BIOS為了兼容傳統(tǒng)OS啟動(dòng)的CSM模塊中起作用，我們大致了解一下其中的原理即可。

2

中斷描述符

在PC進(jìn)入保護(hù)模式，一個(gè)復(fù)雜但有很多妙處的機(jī)制代替了中斷向量表，它就是中斷描述符表（IDT，interrupt Descriptor Table）。IDT將每個(gè)中斷或者異常與它的服務(wù)例程連接起來(lái)。IDT不再固定放在某個(gè)位置，而是可以放在IDTR寄存器指向的任意內(nèi)存(說(shuō)是任意，也不能太隨性，有些小要求，如8字節(jié)對(duì)齊等)，IDT的表項(xiàng)也從4個(gè)字節(jié)擴(kuò)展到8個(gè)字節(jié)，大小也可以不滿256，IDTR也指出了它的最大限制。如圖：

IDT除了和中斷向量一樣指向一個(gè)例程地址之外，還包括其他一些信息：

其中的DPL（描述符特權(quán)級(jí)）與CS寄存器的CPL完成特權(quán)級(jí)的檢查，可以避免低特權(quán)級(jí)的代碼通過(guò)軟件中斷形式提權(quán)。它的運(yùn)作形式和中斷向量表類似，更多的是安全檢查和可能的執(zhí)行環(huán)境切換（例如ring 3 -> ring 0）。

3

中斷和異常

ARM體系中斷和異常是單獨(dú)處理的，IRQ中斷只是異常列表里的一項(xiàng)而已。X86中斷和異常處理卻混雜在一起，使用同一套機(jī)制，看似比較混亂。其實(shí)異常往往是處理器內(nèi)部發(fā)生的，是同步的；而中斷卻是外部事件，是異步的。而它們的分布也是不同的，0到31號(hào)向量保留給異常，而更高的則往往是硬件中斷和軟件中斷。異常分為三種：錯(cuò)誤，陷阱和中止。這三種類型CPU對(duì)它們有不同的處理原則：錯(cuò)誤往往是可以恢復(fù)的，錯(cuò)誤修正后再執(zhí)行剛才的錯(cuò)誤就不會(huì)出問(wèn)題了，改了就是好同志嘛！例如常用于內(nèi)存管理的缺頁(yè)異常，OS常常把內(nèi)存換出到硬盤(pán)，它會(huì)在頁(yè)表上動(dòng)些手腳，CPU再次訪問(wèn)這塊內(nèi)存會(huì)發(fā)生異常，OS頁(yè)面錯(cuò)誤異常例程捕獲到后趕緊把內(nèi)存換回來(lái)，然后返回原處執(zhí)行，就像沒(méi)事發(fā)生一樣。陷阱是留給軟件挖坑的，CPU希望軟件自己挖的坑自己能填上，它可以裝作沒(méi)看見(jiàn)，從下條繼續(xù)。典型的例子是INT 3，我們的幾乎所有調(diào)試工具（VS，windbg，甚至UEFI的source level debugger）都用它添加軟件斷點(diǎn)。中止就嚴(yán)重了，意味著發(fā)生硬件錯(cuò)誤了，它往往能造成Windows藍(lán)屏，linux panic等。異常一覽表如下：

20到31被預(yù)留將來(lái)使用。硬件中斷往往就從32開(kāi)始。

4

中斷優(yōu)先級(jí)

PIC模式IRQ數(shù)目越低就意味著優(yōu)先級(jí)越高。而在APIC模式下，IOAPIC連接的24個(gè)IRQ是平權(quán)的，先后并不關(guān)乎優(yōu)先級(jí)高低。決定中斷優(yōu)先級(jí)的是它對(duì)應(yīng)的中斷向量的大小，X86體系有256個(gè)vector， 中斷優(yōu)先級(jí)的計(jì)算公式是：

優(yōu)先級(jí) = vector num / 16

即每16個(gè)中斷一組，共享一個(gè)優(yōu)先級(jí)，共16個(gè)。因?yàn)?2以下vector被異常和保留占據(jù)，2到15是中斷的優(yōu)先級(jí)。數(shù)字越大越高優(yōu)先級(jí)。中斷優(yōu)先級(jí)的控制是靠LAPIC的TPR（Task Priority Register，任務(wù)優(yōu)先級(jí)寄存器）來(lái)控制的，它的結(jié)構(gòu)如下：

TR只有4位標(biāo)識(shí)可以接受的中斷優(yōu)先級(jí)，即16個(gè)。CPU內(nèi)核只處理優(yōu)先級(jí)比TR大的中斷，也意味著TR每提高一個(gè)數(shù)字，就有16個(gè)中斷被遮蔽！看來(lái)我們的中斷要想被趕快處理，必須占個(gè)好位置。那么是不是IRQ數(shù)目越大，vector就越大呢？這是誰(shuí)來(lái)決定的呢？這事可不由BIOS做主，OS是設(shè)置vector的主人。而不同的OS的處理也不近相同，我們具體看一下。

中斷處理實(shí)踐

Windows、Linux和BIOS在處理中斷上有很多區(qū)別。我們從幾個(gè)方面浮光掠影了解一二。

1

中斷向量設(shè)置

PIC如何設(shè)置中斷向量已經(jīng)過(guò)時(shí)，我們就不提了。這里只介紹APIC模式，如果你還記得上節(jié)關(guān)于IOAPIC的內(nèi)容，其中最重要的PRT表，它由24個(gè)RTE（ RedirectionTableEntry）項(xiàng)組成，每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)IRQ引腳。它的內(nèi)容除了上節(jié)介紹過(guò)的Destination Field之外，最低8位是該IRQ對(duì)應(yīng)的vector，可以表示256個(gè)vector。OS根據(jù)自己的策略，為IRQ分配不同的vector。

1. Windows：

Windows的HAL在設(shè)置vector時(shí)是根據(jù)系統(tǒng)枚舉硬件時(shí)挨個(gè)設(shè)置的，因?yàn)橄让杜e的設(shè)備其IRQ的大小不確定，所以優(yōu)先級(jí)并無(wú)一定之規(guī)。從vector不能推導(dǎo)IRQ，IRQ也不能推導(dǎo)vector，可以說(shuō)全憑運(yùn)氣。為硬件IRQ分配的vector往往從0x31開(kāi)始分配，應(yīng)該是為了配合Windows的IRQL概念。大家可以在windbg里輸入命令

!idt -a

查看一下自己機(jī)器的vector分配情況。這個(gè)IRQL比較讓人混淆，實(shí)際上它并不是個(gè)硬件概念，和中斷優(yōu)先級(jí)并不同，它是微軟定義的一套軟件優(yōu)先級(jí)方案。Windows用0到31來(lái)表示優(yōu)先級(jí)，數(shù)值越大，優(yōu)先級(jí)越高。如下圖：

其中DPC/Dispatch是個(gè)分水嶺，運(yùn)行在這個(gè)優(yōu)先級(jí)的線程不會(huì)被其他線程搶占。其上3到26是為了外圍硬件保留的。最高的31顯得很高大上，誰(shuí)的地位這么高？你一定見(jiàn)過(guò)它，它就是在Windows藍(lán)屏?xí)r的IRQL。HAL會(huì)把IRQL翻譯到不同的硬件平臺(tái)上，它和X86的中斷優(yōu)先級(jí)不是一個(gè)概念。

2. Linux：

Linux沒(méi)有IRQL的概念，他的vector就從0x20(32)開(kāi)始分配，但是因?yàn)?x80(128)因?yàn)闅v史原因，被保留做系統(tǒng)調(diào)用（后改用sysenter指令，但為了兼容，還是保留），整個(gè)空間被一份為二。后面到0xee(238)為止。因?yàn)関ector的大小關(guān)系到優(yōu)先級(jí)，分配的時(shí)候?yàn)榱吮ＷC對(duì)各個(gè)IOAPIC公平，分配的時(shí)候在各個(gè)IOAPIC間輪流分配。大家可以在shell里輸入以下命令查看一下中斷向量的分配情況：

cat /proc/interrupts

2

IRQ在多處理器的分發(fā)

還有個(gè)問(wèn)題十分重要。某個(gè)vector由哪個(gè)CPU內(nèi)核負(fù)責(zé)處理呢？Linux為了公平起見(jiàn)，并不會(huì)對(duì)BSP（bootstrap processor）另眼看待，所有內(nèi)核一視同仁。Linux通過(guò)填寫(xiě)IOAPIC的RTE中的Delivery mode選擇最低優(yōu)先級(jí)策略，讓TRP都被初始化做固定值，因此IRQ信號(hào)就可以公平的在CPU之間分發(fā)。感覺(jué)很民主有沒(méi)有？（分分鐘被Linus的獨(dú)裁作風(fēng)打臉）。有時(shí)為了優(yōu)化性能，我們可以通過(guò)Linux的IRQ親緣性來(lái)讓特定內(nèi)核為我們服務(wù)。我們可以通過(guò)命令

cat /proc/irq/xx/smp_affinity

查看xx IRQ由誰(shuí)處理，如果是f的話代表是缺省策略，即大家都可以處理。我們可以通過(guò)下面命令分配個(gè)專有內(nèi)核處理

echo 2 >/proc/irq/xx/smp_affinity

讓APIC ID為2的內(nèi)核處理。或者通過(guò)一些Irqbalance類似的工具來(lái)幫我們配置。

3

UEFI固件中的中斷

UEFI固件內(nèi)核中對(duì)異常和中斷都有處理，還包含很多使用IPI調(diào)度內(nèi)核的源程序，程序短小精干，包括大量注釋。感興趣的同學(xué)可以通過(guò)它學(xué)習(xí)中斷處理和CPU內(nèi)核調(diào)度。

1. 異常

UEFI內(nèi)核對(duì)IDT的初始化程序在UefiCpuPkg的Library/CpuExceptionHandlerLib下。內(nèi)核為所有的的中斷和異常都分配了統(tǒng)一的入口CommonExceptionHandler。它對(duì)任何中斷和異常沒(méi)有任何特殊處理，如果沒(méi)有人對(duì)該中斷或異常做處理就會(huì)dump一些現(xiàn)在的CPU狀態(tài)如APIC ID, 異常類型等，然后調(diào)用CpuDeadLoop陷入死循環(huán)，這也是UEFI工程師常見(jiàn)的畫(huà)面。UEFI驅(qū)動(dòng)可以在自己關(guān)心的異常中添加自己的處理函數(shù)，如支持通過(guò)串口和USB源程序級(jí)調(diào)試UEFI程序的Source Level Debugger就是個(gè)典型的例子，它Hook住了很多異常，用于調(diào)試和捕捉錯(cuò)誤，

2. 中斷

UEFI的CSM模塊還兼容以前BIOS使用的INT x軟中斷方式調(diào)用BIOS服務(wù)。隨著UEFI的廣泛推廣和傳統(tǒng)OS的漸漸淘汰，CSM也日薄西山，有些僅僅面向最新OS的項(xiàng)目都不含CSM的支持，所以關(guān)于它的內(nèi)容這里略過(guò)。在保護(hù)模式下，UEFI內(nèi)核僅僅對(duì)時(shí)鐘中斷進(jìn)行了處理，并通過(guò)Timer Architectural Protocol開(kāi)放出來(lái)供所有UEFI程序調(diào)用。也許你會(huì)好奇，那么多種USB設(shè)備和網(wǎng)卡等等的UEFI驅(qū)動(dòng)難道不需要中斷處理？是的，他們的中斷在UEFI階段都沒(méi)有開(kāi)啟，他們的驅(qū)動(dòng)通過(guò)Timer加Polling的方式來(lái)處理。舉個(gè)例子，我們?cè)赨EFI Shell 下插入鍵盤(pán)，它能立刻起作用不是如在OS中USB控制器產(chǎn)生了中斷。而是USB驅(qū)動(dòng)注冊(cè)了個(gè)Timer，過(guò)一會(huì)就Poll一下看看有沒(méi)有新設(shè)備插入。就是這個(gè)Timer發(fā)現(xiàn)了新插入的鍵盤(pán)的。

這種僅僅依靠Timer的做法在OS階段是行不通的，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的效能和功耗問(wèn)題。但是在Boot階段卻問(wèn)題不大，而且這樣做保證了UEFI內(nèi)核的簡(jiǎn)潔性。事實(shí)上，UEFI并不禁止驅(qū)動(dòng)自己開(kāi)啟中斷，但開(kāi)啟中斷需要處理的中斷共享、IOAPIC設(shè)置等等問(wèn)題需要驅(qū)動(dòng)自己解決，UEFI并不提供支持。

3. IPI

內(nèi)核可以通過(guò)寫(xiě)自己LAPIC的ICR（Interrupt Command Register）發(fā)出IPI（(Inter-Processor Interrupt）調(diào)度別的內(nèi)核完成任務(wù)，這也是任務(wù)調(diào)度的基本方法。事實(shí)上，因?yàn)锳PIC ID的不連續(xù)性，我們正是通過(guò)發(fā)送IPI的方法來(lái)統(tǒng)計(jì)內(nèi)核的數(shù)量。BSP在啟動(dòng)時(shí)需要統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中可用的內(nèi)核時(shí)，發(fā)送廣播IPI，讓大家都來(lái)報(bào)道，BSP開(kāi)始點(diǎn)數(shù)，1，2，3。。。并一一記錄在案。在啟動(dòng)OS前，通過(guò)ACPI table告訴OS有多少個(gè)內(nèi)核。OS不應(yīng)該自己統(tǒng)計(jì)內(nèi)核數(shù)目，事實(shí)上固件可以通過(guò)瞞報(bào)內(nèi)核的方式將部分內(nèi)核挪作他用，但誰(shuí)會(huì)這么做呢？

如何發(fā)起IPI在CPU package里有大量實(shí)例和庫(kù)，大家可以參考。

其他

一些容易混淆的名詞這里要特別說(shuō)明一下

IRQ x:起源于PIC，指中斷引腳，后在APIC時(shí)代沿用，泛指中斷號(hào)。

Vector x/INT x: X是中斷向量，如前文所說(shuō) IRQ不等于INT和vector.

PIRQ : PCI IRQ。它是描述南橋內(nèi)部PCI設(shè)備的IRQ配置關(guān)系的。我們下一篇文章介紹。

GSI ：Global System Interrupt，是ACPI spec規(guī)定的全局中斷表。它為多IOAPIC情況下確定了系統(tǒng)唯一的一個(gè)中斷號(hào)。例如IOAPIC1有24個(gè)IRQ，IOAPIC2也有24個(gè)IRQ，則IOAPIC2 的GSI是從24開(kāi)始，GSI = 24 + IRQ（IOAPIC2）。

SCI ：System Control Interrupt，系統(tǒng)控制中斷，是ACPI定義的，專用于ACPI電源管理的一個(gè)IRQ。它在Intel平臺(tái)上常常與南橋的電源管理模塊一起，當(dāng)外部EC等發(fā)生Event后會(huì)引發(fā)SCI。Windows的SCI ISR程序就是著名的acpi.sys。acpi.sys在收到SCI后會(huì)檢查GPE狀態(tài)寄存器以確定是誰(shuí)引發(fā)的event，然后按照ACPI spec要求調(diào)用相應(yīng)Method。詳情請(qǐng)參照ACPI spec?？梢哉J(rèn)為SCI是ACPI定義的所有電源管理事件的總?cè)肟?，它?duì)應(yīng)的IRQ在一般情況下是不能修改的。SCI是如何報(bào)告和簡(jiǎn)單的GPE method我們?cè)谙乱黄袝?huì)詳細(xì)介紹。

結(jié)語(yǔ)

說(shuō)了這么多，如果我們從硬件和軟件方面，梳理整個(gè)中斷設(shè)置和處理的鏈條，會(huì)發(fā)現(xiàn)還有個(gè)環(huán)節(jié)沒(méi)有解決。那就設(shè)備的IRQ是誰(shuí)來(lái)決定的？是硬件hard wired?還是軟件可以配置？OS是如何知道這些信息的呢？OS又是怎么知道IOAPIC的數(shù)目和位置的呢？這些都是UEFI固件需要解決的問(wèn)題，我們?cè)谙乱黄恼轮袝?huì)詳細(xì)說(shuō)明。在此之前，如以往一樣，有幾個(gè)思考問(wèn)題可以讓大家加深對(duì)中斷和UEFI的理解：

1.中斷的引入，必然帶來(lái)了代碼重入的問(wèn)題。我們知道，這可以通過(guò)設(shè)定優(yōu)先級(jí)、信號(hào)量/臨界區(qū)等等辦法來(lái)解決。UEFI是通過(guò)什么方法呢？TPL和IRQL的相似和區(qū)別又是什么呢？

2.UEFI內(nèi)核還不支持多線程，我們?nèi)绻枰黾佣嗑€程調(diào)度，僅僅依靠時(shí)鐘中斷，夠不夠用呢？

3.OS利用缺頁(yè)異?？梢哉{(diào)度內(nèi)存到硬盤(pán)上和實(shí)現(xiàn)Lazy loading等等實(shí)用的功能。UEFI的SMM內(nèi)核也開(kāi)啟了缺頁(yè)異常，但是卻為了另外一個(gè)目的，你能看出是為了什么嗎？