Interrupts on xv6 - Speaker Deck

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@syuu1228

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資料   Software Developers Manual http://download.intel.com/products/ processor/manual/325462.pdf   ICH10 Datasheet http://www.intel.com/assets/pdf/ datasheet/319973.pdf

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おさらい   このあたりは「はじめて読む486」を読んでれば分かってるはず   わかってない人がこの場にいるとも思えないんだけれども…

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割り込みとは   現在CPU上で実行しているプログラムを停止して別の処理を実行する為にCPUが持つ機能   UNIX上のアプリケーションにおける「シグナル」に近い概念   二種類ある   ハードウェア割り込み ○  ハードウェアからCPUへ「キーボード押されたよ」などのメッセージを通知するのに使う ○  単に「割り込み」と呼ばれる事もある   ソフトウェア割り込み ○  ソフトウェアから割り込みを起こせる ○  モード切替に利用される→システムコールに使う

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ハードウェア割り込みの例   ATAコントローラ   HDDへのread/writeリクエストの完了通知   シリアルポート・NIC   受信通知   送信完了通知   タイマー   一定期間毎に割り込み   指定期間後に割り込み

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ATA受信割り込みの例 1.  ユーザプログラムがファイルに対して writeシステムコールを実行 2.  ファイルシステムがバッファキャッシュへ書き込み（ダーティフラグON） 3.  バッファキャッシュがHDDへライトバック 4.  ATAドライバがATAコントローラへ書き込み要求を送信 5.  書き込みが終了したらバッファキャッシュのダーティフラグをクリア

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書き込みが終了したら？割り込みを使わない場合   ATAコントローラのステータスレジスタを確認し続ければ完了したかどうか分かる send_write_request(buffer); while(read_ata_status() & ATA_STATUS_BUSY) ; buffer.is_dirty = 0;   busy waitになってしまう→CPUの無駄

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書き込みが終了したら？割り込みを使う場合   送信完了時の処理は、割り込み着信時に実行すればいい書き込み処理： send_write_request(buffer); sleep(buffer); 割り込みハンドラ： buffer = find_buffer(ata_reg); buffer.is_dirty = 0; wakeup(buffer);   busy waitしていない分のCPU時間を別の処理（別のプロセスを実行など）にまわせる   sleep()/wakeup()で待ち合わせ

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割り込みハンドラ   割り込みを受けた時にCPUが実行するプログラム（関数呼び出しを伴わない関数のようなもの）   割り込みハンドラ実行時にCPUがレジスタの状態をスタックへ退避   ハードウェア割り込みの場合は、デバイスのレジスタを読んで割り込みの処理に応じた最小限の処理を実行   割り込みハンドラから終了用の命令を実行して、スタックから割り込み前の状態へ復帰

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プリエンプティブマルチタスクと割り込み   プリエンプティブマルチタスク：カーネルがプロセスへのCPUの割り当て時間を管理、タイマーを使ってアプリケーションを一定時間毎に切り替え   プロセスが無限ループなどに陥りカーネルへ制御を渡さない場合でもタイマー割り込みにより中断され、割り当て時間を使い切ったら他のプロセスへ切り替えられる   割り込みがないと実現出来ない

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例外   割り込みとは別の概念だが、実装上の共通点は多いためx86では共通の仕組みで取り扱われている   アプリケーション上の例外とほぼ意味は同じだが、CPU上の機能   例外の例：ゼロ除算、無効な命令、ページフォールト、一般保護例外、ブレークポイント

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割り込み／例外ベクタ   0-255のベクタ番号が割り込みと例外に割り当てられる   例外は要因毎に0-19の固定された値   ソフト割り込みは0-255へ割り込み可   ハードウェア割り込みはLAPIC経由の場合 16-255へ割り込み可   OSはIDT（Interrupt Descriptor Table）を作成し、CPUへアドレスを設定

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IDT（Interrupt Descriptor Table）と IDTR   各ベクタの割り込みハンドラの情報を持つGate Descriptorが並んでいるメモリ上のテーブル   テーブルの先頭アドレスとLimit値（テーブルのサイズ、255未満のGate数に対応）をCPUのIDTRに書き込む事により設定（IDTRを設定しない限り、 CPUは割り込み時に何をしたらいいか分からない）

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Gate Descriptor   前述の「割込みハンドラ」のアドレスを持つ構造体   単なる関数へのポインタではなくて、セグメントの設定とか権限（Ring）とか16 bit/32 bit のモード選択とか、幾つかのパラメータを含む   Task gate, Interrupt gate, Trap gateの三種類ある   Task gateはHWのマルチタスク機能でハンドリングする方法で今は使われていない   Interrupt gateとTrap gateは普通に割り込みハンドラへジャンプする方法 EFLAGS.IFフラグをクリアするか否かが違い

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IDT,IDTR,Gate descriptorの関係 Base address Limit 0 15 16 47 IDTR register IDT Gate for interrupt 0 Gate for interrupt 1 Gate for interrupt 2 Gate for interrupt 3 … Gate for interrupt 255 offset 15..0 segment selector rese rved DPL /P offset 31..16 Interrupt Gate

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xv6のIDT周りを見てみる   main.c:main()   tvinit(); 割り込みベクタの設定   mpmain(); ○  idtinit(); IDTRの設定   trap.c:tvinit()   for(0..255) SETGATE(idt[i] … vectors[i] …) idt[i]にvectors[i]を割り込みハンドラとしたgate descriptorを設定   システムコールだけDPL_USERに   trap.c:idtinit()   x86.h:lidt() ○  asm volatile(“lidt (%0)” :: “r” (pd)); LIDT命令でidtのアドレスを設定

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xv6の割り込み・例外ハンドラ   vectors.pl→vectors.S   vectorsはvector0..vector255を指すポインタが入っているテーブルで、vectorNはalltrapsを呼んでいる   trapasm.S   全レジスタpush   pushl %esp   call trap   全レジスタpop   iret （割り込みからの復帰）   trap.c:trap()   trapasm.Sから引数として渡されたスタックポインタを構造体として参照   trapnoがシステムコールの場合・タイマ／IDE／キーボード／シリアル割り込みの場合についてそれぞれのハンドル関数をコールしている

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CPU内部の割り込みの話おわり   実際には、割り込みはCPUの外からやってくる   これを受け取ってどうCPUへ割り込みをかけるかを司る、仲介役を果たす「割り込みコントローラ」が必要   割り込みコントローラのずっと向こう側に、実際に割り込みを送っているデバイスが居る   さぁ、CPUの向こう側の話をしよう

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Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC)   オリジナルのx86アーキテクチャでは割り込みコントローラとしてPIC(8259)を使っていたが、P6以降のx86アーキテクチャではAPICへ移行（PICも未だ存在していて使える）   CPU毎に存在しCPUに内蔵されている Local APICと、ICH（Southbridge）に内蔵されているI/O APICから構成されている

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Local APICとI/O APIC   Local APIC ローカル割り込みのベクタ番号設定、割り込みベクタ番号通知、EOIなど一般的な割り込みコントローラの役割   I/O APIC どの外部割り込みをどのLocal APICに振るか等を決める役割

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Local APICとI/O APIC CPU Local APIC CPU Local APIC CPU Local APIC ICH(South bridge) IOAPIC External Interrupts 8259A PIC LINT0 LINT1 NMI IPI Timer

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Local APIC内のコンポーネントなにやら割り込みコントローラ以外にも幾つか機能が乗っている   タイマーカーネルのtickに使うことが多い   温度センサ   パフォーマンスモニタリングカウンタ

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APIC ID   Local APIC ID Registerから取得可   APIC IDでプロセッサを一意に特定   このIDでI/O APICから割り込み先CPUを指定

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Local Vector Table   ローカル割り込みのベクタ番号を設定   CMCI(Corrected Machine Check Interrupt)   Timer   Thermal Monitor   Performance Counter   LINT0/1　レガシーデバイスとか   Error   外部割り込みはここで設定しない

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割り込みの受信   IRR: Interrupt Request Register CPUが未処理の割り込みベクタ番号にビットが立っている   ISR: In Service Register 次に割り込む候補 EOIへ書き込まれた時にIRR→ISRへビットが更新される   EOI: End Of Interrupt Register 割り込みハンドラ終了通知として0を書き込む（例外有り）

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I/O APIC (ICH10の場合)   24本の割り込みをサポート   Redirection Tableで割り込み先Local APICを決定（24エントリのテーブル）

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Redirection Table   各IRQの宛先APIC ID, Vectorなどを設定   Destination 宛先APIC ID   Mask 割り込みマスク   Trigger Mode Edge/Level   Remote IRR   Interrupt Input Pin Polarity   Delivery Status Idle/Pending   Destination Mode Physical/Logical   Delivery Mode Fixed/Lowest…   Vector Vector no of interrupt

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Destination Mode   Physical Destination Mode   LAPIC上のLocal APIC ID Registerの値を指定する事によりCPUを一意に特定   Logical Destination Mode   LAPIC上のLogical Destination Registerと Destination Format Registerの値とAddress されたIDがマッチするかどうかで判別

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Logical Destination Mode   Destination Format Registerでモード選択   flat model   各LAPIC毎にLDRへ異なるbitを立て、宛先アドレスには複数のbitを立てる事で複数のCPUのを選択可能   アドレスが8bitしか無いので対応CPU数は8まで   cluster model   LDRと宛先アドレスを4bitで分割、双方cluster IDとlogical IDを持つ   使い方がよくわからない…8より多いCPUをサポートする為の階層化？

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Delivery Mode   Fixed Destinationに指定された全てのCPUへ割り込み   Lowest priority DestinationのうちLAPICのTask Priority Registerの値が最も小さいCPUへ割り込み →TPRを制御する事で動的に割り込み先を変更可能

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xv6のLAPIC周りを見てみる   main.c:main()   lapicinit(); LAPICを初期化   lapic.c:lapicinit()   LAPIC有効化   タイマー初期化   LINT0/LINT1、パフォーマンスカウンタ割り込み無効化   エラー割り込みのベクタ番号設定   エラーステータスレジスタクリア   割り込みクリア

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割り込みハンドラ周りのLAPIC   trap.c:trap()   lapiceoi(); EOIレジスタへ0書き込み   lapic.c:lapiceoi()

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xv6のI/O APIC周り   main.c:main()   ioapicinit();   ideinit();   ioapic.c:ioapicinit()   全ての割り込みを無効に   ide.c:ideinit()   ioapicenable(IRQ_IDE, ncpu – 1); IRQ_IDEをAPIC ID=ncpu -1へ送るよう設定   質問：Delivery ModeとDestination Modeは何？

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xv6のI/O APIC周り   console.c:consoleinit() ioapicenable(IRQ_KBD, 0)   uart.c:uartinit() ioapicenable(IRQ_COM1, 0)

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PIC(8259)   IOAPICと同様ICHに存在 IOAPIC（又はcpu0のLocal APIC）へ接続されている   「古い割り込みコントローラ」のように紹介したが、レガシデバイスが接続されているのでそのようなデバイスを使う場合は PICを使う必要がある   xv6ではレガシデバイスを使う為、 PIC→IOAPICの順で割り込みの設定を行なっている   ideinit(),consoleinit(),uartinit()で呼んでいる ioapicenable()の手前にあるpicenable()

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レガシデバイス   以下の様なデバイス   PS/2　キーボード／マウス   IDE   COM0, COM1   Floppy   etc…

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MSI: Message Signal Interrupt MSI-X: MSI Extended Interrupt   物理的な割り込み線を用いず、（多分、 PCIの？）メッセージング機構により割り込みを通知する仕組み   PCI Expressからサポート必須   IO APICを経由しない（！）   →割り込み先どうやって決めんの？   PCI Configuration Spaceに設定

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MSIの割り込み設定   詳細はここをみてね   IOAPICと同じく、Logical/Physicalの Destination Mode、Fixed/Lowestなどの Delivery modeが存在

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x2apic   拡張されたAPIC   何が拡張されたか？   色々あるはずだが、少なくともLocal APIC IDやDestinationのフィールド長が拡張されている   より沢山のCPUをサポート出来るようになった