Linux中斷虛擬化（二）
[導(dǎo)讀]作者簡(jiǎn)介???王柏生??資深技術(shù)專(zhuān)家，先后就職于中科院軟件所、紅旗Linux和百度，現(xiàn)任百度主任架構(gòu)師。在操作系統(tǒng)、虛擬化技術(shù)、分布式系統(tǒng)、云計(jì)算、自動(dòng)駕駛等相關(guān)領(lǐng)域耕耘多年，有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。著有暢銷(xiāo)書(shū)《深度探索Linux操作系統(tǒng)》（2013年出版）。謝廣軍??計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)博士...
作者簡(jiǎn)介? ? ?王柏生??資深技術(shù)專(zhuān)家，先后就職于中科院軟件所、紅旗Linux和百度，現(xiàn)任百度主任架構(gòu)師。在操作系統(tǒng)、虛擬化技術(shù)、分布式系統(tǒng)、云計(jì)算、自動(dòng)駕駛等相關(guān)領(lǐng)域耕耘多年，有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。著有暢銷(xiāo)書(shū)《深度探索Linux操作系統(tǒng)》（2013年出版）。謝廣軍??計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)博士，畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)計(jì)算機(jī)系。資深技術(shù)專(zhuān)家，多年的IT行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)擔(dān)任百度智能云副總經(jīng)理，負(fù)責(zé)云計(jì)算相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。多年來(lái)一直從事操作系統(tǒng)、虛擬化技術(shù)、分布式系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)工作，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富。?本文內(nèi)容節(jié)選自《深度探索Linux虛擬化技術(shù)》，已獲得機(jī)械工業(yè)出版社華章公司授權(quán)。歡迎讀者文末留言，閱碼場(chǎng)和機(jī)械工業(yè)出版社華章公司將為每位精彩留言獲獎(jiǎng)用戶(hù)奉送該書(shū)一本。
PIC虛擬化
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有很多的外設(shè)需要服務(wù)，顯然，CPU采用輪詢(xún)的方式逐個(gè)詢(xún)問(wèn)外設(shè)是否需要服務(wù)，是非常浪費(fèi)CPU的計(jì)算的，尤其是對(duì)那些并不是頻繁需要服務(wù)的設(shè)備。因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了外設(shè)主動(dòng)向CPU發(fā)起服務(wù)請(qǐng)求的方式，這種方式就是中斷。采用中斷方式后，在沒(méi)有外設(shè)請(qǐng)求時(shí)，CPU就可以繼續(xù)其他計(jì)算任務(wù)，而不是進(jìn)行很多不必要的輪詢(xún)，極大地提高了系統(tǒng)的吞吐[1]?在每個(gè)指令周期結(jié)束后，如果CPU關(guān)中斷標(biāo)識(shí)（IF）沒(méi)有被設(shè)置，那么其會(huì)去檢查是否有中斷請(qǐng)求，如果有中斷請(qǐng)求，則運(yùn)行對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序，然后返回被中斷的計(jì)算任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。CPU不可能為每個(gè)硬件都設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的管腳接收中斷，管腳數(shù)量的限制、電路的復(fù)雜度、靈活度等方方面面都不現(xiàn)實(shí)，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)門(mén)管理中斷的單元。由中斷管理單元接受來(lái)自外圍設(shè)備的請(qǐng)求，確定請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，并向CPU發(fā)出中斷。1981年IBM推出的第1代個(gè)人電腦PC/XT使用了一個(gè)獨(dú)立的8259A作為中斷控制器，自此，8259A就成為了單核時(shí)代中斷芯片事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)軟件編程對(duì)其進(jìn)行控制，比如當(dāng)管腳收到設(shè)備信號(hào)時(shí)，可以編程控制其發(fā)出的中斷向量號(hào)，因此，中斷控制器又稱(chēng)為可編程中斷控制器（programmable interrupt controller），簡(jiǎn)稱(chēng)PIC。單片8259A可以連接8個(gè)外設(shè)的中斷信號(hào)線，可以多片級(jí)聯(lián)支持更多外設(shè)。8259A和CPU的連接如圖5所示。圖5 8259A和CPU連接片選和地址譯碼器相連，當(dāng)CPU準(zhǔn)備訪問(wèn)8259A前，需要向地址總線發(fā)送8259A對(duì)應(yīng)的地址，經(jīng)過(guò)譯碼器后，譯碼器發(fā)現(xiàn)是8259A對(duì)應(yīng)的地址，因此會(huì)拉低與8259A的CS連接的管腳的電平，從而選中8259A，通知8259A，CPU準(zhǔn)備與其交換數(shù)據(jù)了。8259A的D0~7管腳與CPU的數(shù)據(jù)總線相連。從CPU向8259A發(fā)送ICW和OCW，從8259A向CPU傳送8259A的狀態(tài)以及中斷向量號(hào)，都是通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳遞的。當(dāng)CPU向8259A發(fā)送ICW、OCW時(shí)，當(dāng)把數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線后，需要通知8259A讀數(shù)據(jù)，CPU通過(guò)拉低WR管腳的電平的方式通知8259A，當(dāng)8259A的WR管腳收到低電平后，讀取數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)。類(lèi)似的，CPU準(zhǔn)備好讀取8259A的狀態(tài)時(shí)，拉低RD管腳通知8259A。8259A和CPU之間的中斷信號(hào)的通知使用專(zhuān)用的連線，8259A的管腳INTR（interrupt request）和INTA(interrupt acknowledge)分別與處理器的INTR和INTA管腳相連。8259A通過(guò)管腳INTR向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，CPU通過(guò)管腳INTA向PIC發(fā)送中斷確認(rèn)，告訴PIC其收到中斷并且開(kāi)始處理了。8259A與CPU之間的具體中斷過(guò)程如下：1）8259A的IR0~7管腳高電平有效，所以當(dāng)中斷源請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，拉高連接IR0~7的管腳，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。2）8259A需要將這些信號(hào)記錄下來(lái)，因此其內(nèi)部有個(gè)寄存器IRR（Interrupt Request Register），負(fù)責(zé)記錄這個(gè)中斷請(qǐng)求，針對(duì)這個(gè)例子，IRR的bit 0將被設(shè)置為1。3）有的時(shí)候，我們會(huì)屏蔽掉某個(gè)設(shè)備的中斷。換句話說(shuō)，就是的當(dāng)這個(gè)中斷源向8259A發(fā)送信號(hào)后，8259A并不將這個(gè)中斷信號(hào)發(fā)送給CPU。讀者不要將屏蔽和CPU通過(guò)cli命令關(guān)中斷混淆，CPU關(guān)中斷時(shí)，中斷還會(huì)發(fā)送給CPU，只是在關(guān)中斷期間CPU不處理中斷。8259A中的寄存器IMR(Interrupt Mask Register)負(fù)責(zé)記錄某個(gè)中斷源是否被屏蔽，比如0號(hào)中斷源被設(shè)備了屏蔽，那么IMR的bit 0將被設(shè)置。那么這個(gè)IMR是誰(shuí)設(shè)置的呢？當(dāng)然是CPU中的操作系統(tǒng)。因此這一步，8259A將會(huì)檢查收到的中斷請(qǐng)求是否被屏蔽。4）在某一個(gè)時(shí)刻，可能有多個(gè)中斷請(qǐng)求，或者是之前存在IRR中的中斷并沒(méi)有被處理，8259A中積累了一些中斷。某一個(gè)時(shí)刻，8259A只能向CPU發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求，因此，當(dāng)存在多個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，8259A需要判斷一下中斷優(yōu)先級(jí)，這個(gè)單元叫做priority resolver，priority resolver將在IRR中選出優(yōu)先級(jí)最高的中斷。5）選出最高優(yōu)先級(jí)的中斷后，8259A拉高管腳INTR的電平，向CPU發(fā)出信號(hào)。6）當(dāng)CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令周期后，其將檢查寄存器FLAGS的中斷使能位IF（Interrupt enable flag），如果允許中斷，那么將檢查INTR是否有中斷，如果有中斷，那么將通過(guò)管腳INTR通知8259A處理器將開(kāi)始處理中斷。7）8259A收到CPU發(fā)來(lái)的INTA信號(hào)后，將置位最高優(yōu)先級(jí)的中斷在ISR(In-Service Register)中對(duì)應(yīng)的位，并清空IRR中對(duì)應(yīng)的位。8）通常，x86 CPU會(huì)發(fā)送第2次INTA，在收到第2次INTA后，8259A會(huì)將中斷向量號(hào)（vector）送上數(shù)據(jù)總線D0~D7。9）如果8259A設(shè)置為AEOI(Automatic End Of Interrupt)模式，那么8259A復(fù)位ISR中對(duì)應(yīng)的bit，否則ISR中對(duì)應(yīng)的bit一直保持到收到系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序發(fā)來(lái)的EOI命令。我們知道，中斷服務(wù)程序保存在一個(gè)數(shù)組中，數(shù)組中的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷服務(wù)程序。在實(shí)模式下，這個(gè)數(shù)組稱(chēng)為IVT(interrupt vector table)；在保護(hù)模式下，這個(gè)數(shù)組稱(chēng)為IDT（Interrupt descriptor table）。這個(gè)數(shù)組中保存的服務(wù)程序，并不是全部都是外部中斷，還有處理CPU內(nèi)部異常的以及軟中斷服務(wù)程序。x86CPU前32個(gè)中斷號(hào)（0-31）留給處理器異常的，比如第0個(gè)中斷號(hào)，是處理器出現(xiàn)除0（Divide by Zero）異常的，不能被占用。因此，假設(shè)我們計(jì)劃IVT數(shù)組中第32個(gè)元素存放管腳IR0對(duì)應(yīng)的ISR，那么我們初始化8259A時(shí)，通過(guò)ICW，設(shè)置起始的irq base為32，那么當(dāng)8259A發(fā)出管腳IR0的中斷請(qǐng)求時(shí)，則發(fā)出的值是32，管腳IR1對(duì)應(yīng)的是33，依此類(lèi)推。這個(gè)32、33就是所謂的中斷向量（vector）。換句話說(shuō)，中斷向量就是中斷服務(wù)程序在IVT/IDT中的索引。下面就是設(shè)置irq_base的代碼，在初始化時(shí)，通過(guò)第2個(gè)初始化命令字（ICW2）設(shè)置：?commit 85f455f7ddbed403b34b4d54b1eaf0e14126a126KVM: Add support for in-kernel PIC emulation?linux.git/drivers/kvm/i8259.c?static void pic_ioport_write(void *opaque, u32addr, u32 val){??…???? switch(s->init_state) {??? …??? case 1:????? s->irq_base = val
PIC虛擬化
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有很多的外設(shè)需要服務(wù)，顯然，CPU采用輪詢(xún)的方式逐個(gè)詢(xún)問(wèn)外設(shè)是否需要服務(wù)，是非常浪費(fèi)CPU的計(jì)算的，尤其是對(duì)那些并不是頻繁需要服務(wù)的設(shè)備。因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了外設(shè)主動(dòng)向CPU發(fā)起服務(wù)請(qǐng)求的方式，這種方式就是中斷。采用中斷方式后，在沒(méi)有外設(shè)請(qǐng)求時(shí)，CPU就可以繼續(xù)其他計(jì)算任務(wù)，而不是進(jìn)行很多不必要的輪詢(xún)，極大地提高了系統(tǒng)的吞吐[1]?在每個(gè)指令周期結(jié)束后，如果CPU關(guān)中斷標(biāo)識(shí)（IF）沒(méi)有被設(shè)置，那么其會(huì)去檢查是否有中斷請(qǐng)求，如果有中斷請(qǐng)求，則運(yùn)行對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序，然后返回被中斷的計(jì)算任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。CPU不可能為每個(gè)硬件都設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的管腳接收中斷，管腳數(shù)量的限制、電路的復(fù)雜度、靈活度等方方面面都不現(xiàn)實(shí)，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)門(mén)管理中斷的單元。由中斷管理單元接受來(lái)自外圍設(shè)備的請(qǐng)求，確定請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，并向CPU發(fā)出中斷。1981年IBM推出的第1代個(gè)人電腦PC/XT使用了一個(gè)獨(dú)立的8259A作為中斷控制器，自此，8259A就成為了單核時(shí)代中斷芯片事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)軟件編程對(duì)其進(jìn)行控制，比如當(dāng)管腳收到設(shè)備信號(hào)時(shí)，可以編程控制其發(fā)出的中斷向量號(hào)，因此，中斷控制器又稱(chēng)為可編程中斷控制器（programmable interrupt controller），簡(jiǎn)稱(chēng)PIC。單片8259A可以連接8個(gè)外設(shè)的中斷信號(hào)線，可以多片級(jí)聯(lián)支持更多外設(shè)。8259A和CPU的連接如圖5所示。圖5 8259A和CPU連接片選和地址譯碼器相連，當(dāng)CPU準(zhǔn)備訪問(wèn)8259A前，需要向地址總線發(fā)送8259A對(duì)應(yīng)的地址，經(jīng)過(guò)譯碼器后，譯碼器發(fā)現(xiàn)是8259A對(duì)應(yīng)的地址，因此會(huì)拉低與8259A的CS連接的管腳的電平，從而選中8259A，通知8259A，CPU準(zhǔn)備與其交換數(shù)據(jù)了。8259A的D0~7管腳與CPU的數(shù)據(jù)總線相連。從CPU向8259A發(fā)送ICW和OCW，從8259A向CPU傳送8259A的狀態(tài)以及中斷向量號(hào)，都是通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳遞的。當(dāng)CPU向8259A發(fā)送ICW、OCW時(shí)，當(dāng)把數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線后，需要通知8259A讀數(shù)據(jù)，CPU通過(guò)拉低WR管腳的電平的方式通知8259A，當(dāng)8259A的WR管腳收到低電平后，讀取數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)。類(lèi)似的，CPU準(zhǔn)備好讀取8259A的狀態(tài)時(shí)，拉低RD管腳通知8259A。8259A和CPU之間的中斷信號(hào)的通知使用專(zhuān)用的連線，8259A的管腳INTR（interrupt request）和INTA(interrupt acknowledge)分別與處理器的INTR和INTA管腳相連。8259A通過(guò)管腳INTR向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，CPU通過(guò)管腳INTA向PIC發(fā)送中斷確認(rèn)，告訴PIC其收到中斷并且開(kāi)始處理了。8259A與CPU之間的具體中斷過(guò)程如下：1）8259A的IR0~7管腳高電平有效，所以當(dāng)中斷源請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，拉高連接IR0~7的管腳，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。2）8259A需要將這些信號(hào)記錄下來(lái)，因此其內(nèi)部有個(gè)寄存器IRR（Interrupt Request Register），負(fù)責(zé)記錄這個(gè)中斷請(qǐng)求，針對(duì)這個(gè)例子，IRR的bit 0將被設(shè)置為1。3）有的時(shí)候，我們會(huì)屏蔽掉某個(gè)設(shè)備的中斷。換句話說(shuō)，就是的當(dāng)這個(gè)中斷源向8259A發(fā)送信號(hào)后，8259A并不將這個(gè)中斷信號(hào)發(fā)送給CPU。讀者不要將屏蔽和CPU通過(guò)cli命令關(guān)中斷混淆，CPU關(guān)中斷時(shí)，中斷還會(huì)發(fā)送給CPU，只是在關(guān)中斷期間CPU不處理中斷。8259A中的寄存器IMR(Interrupt Mask Register)負(fù)責(zé)記錄某個(gè)中斷源是否被屏蔽，比如0號(hào)中斷源被設(shè)備了屏蔽，那么IMR的bit 0將被設(shè)置。那么這個(gè)IMR是誰(shuí)設(shè)置的呢？當(dāng)然是CPU中的操作系統(tǒng)。因此這一步，8259A將會(huì)檢查收到的中斷請(qǐng)求是否被屏蔽。4）在某一個(gè)時(shí)刻，可能有多個(gè)中斷請(qǐng)求，或者是之前存在IRR中的中斷并沒(méi)有被處理，8259A中積累了一些中斷。某一個(gè)時(shí)刻，8259A只能向CPU發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求，因此，當(dāng)存在多個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，8259A需要判斷一下中斷優(yōu)先級(jí)，這個(gè)單元叫做priority resolver，priority resolver將在IRR中選出優(yōu)先級(jí)最高的中斷。5）選出最高優(yōu)先級(jí)的中斷后，8259A拉高管腳INTR的電平，向CPU發(fā)出信號(hào)。6）當(dāng)CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令周期后，其將檢查寄存器FLAGS的中斷使能位IF（Interrupt enable flag），如果允許中斷，那么將檢查INTR是否有中斷，如果有中斷，那么將通過(guò)管腳INTR通知8259A處理器將開(kāi)始處理中斷。7）8259A收到CPU發(fā)來(lái)的INTA信號(hào)后，將置位最高優(yōu)先級(jí)的中斷在ISR(In-Service Register)中對(duì)應(yīng)的位，并清空IRR中對(duì)應(yīng)的位。8）通常，x86 CPU會(huì)發(fā)送第2次INTA，在收到第2次INTA后，8259A會(huì)將中斷向量號(hào)（vector）送上數(shù)據(jù)總線D0~D7。9）如果8259A設(shè)置為AEOI(Automatic End Of Interrupt)模式，那么8259A復(fù)位ISR中對(duì)應(yīng)的bit，否則ISR中對(duì)應(yīng)的bit一直保持到收到系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序發(fā)來(lái)的EOI命令。我們知道，中斷服務(wù)程序保存在一個(gè)數(shù)組中，數(shù)組中的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷服務(wù)程序。在實(shí)模式下，這個(gè)數(shù)組稱(chēng)為IVT(interrupt vector table)；在保護(hù)模式下，這個(gè)數(shù)組稱(chēng)為IDT（Interrupt descriptor table）。這個(gè)數(shù)組中保存的服務(wù)程序，并不是全部都是外部中斷，還有處理CPU內(nèi)部異常的以及軟中斷服務(wù)程序。x86CPU前32個(gè)中斷號(hào)（0-31）留給處理器異常的，比如第0個(gè)中斷號(hào)，是處理器出現(xiàn)除0（Divide by Zero）異常的，不能被占用。因此，假設(shè)我們計(jì)劃IVT數(shù)組中第32個(gè)元素存放管腳IR0對(duì)應(yīng)的ISR，那么我們初始化8259A時(shí)，通過(guò)ICW，設(shè)置起始的irq base為32，那么當(dāng)8259A發(fā)出管腳IR0的中斷請(qǐng)求時(shí)，則發(fā)出的值是32，管腳IR1對(duì)應(yīng)的是33，依此類(lèi)推。這個(gè)32、33就是所謂的中斷向量（vector）。換句話說(shuō)，中斷向量就是中斷服務(wù)程序在IVT/IDT中的索引。下面就是設(shè)置irq_base的代碼，在初始化時(shí)，通過(guò)第2個(gè)初始化命令字（ICW2）設(shè)置：?commit 85f455f7ddbed403b34b4d54b1eaf0e14126a126KVM: Add support for in-kernel PIC emulation?linux.git/drivers/kvm/i8259.c?static void pic_ioport_write(void *opaque, u32addr, u32 val){??…???? switch(s->init_state) {??? …??? case 1:????? s->irq_base = val
下載文檔
