开源鸿蒙内核源码分析系列 | 中断管理 | 没中断太可怕

开源鸿蒙内核源码分析系列 | 中断管理 | 没中断太可怕

关于中断部分系列篇将用三篇详细说明整个过程。

中断概念篇(《中断概念 | 海公公的日常工作》) 中断概念很多，比如中断控制器，中断源，中断向量，中断共享，中断处理程序等等。本篇做一次整理。先了解透概念才好理解中断过程。本篇的主角是海公公，用海公公打比方说明白中断各个概念。

中断管理篇（本篇） 从中断初始化HalIrqInit开始，到注册中断的LOS_HwiCreate函数，到消费中断函数的 HalIrqHandler，剖析开源鸿蒙内核实现中断的过程，很像设计模式中的观察者模式。 

中断切换篇 用自下而上的方式，从中断源头纯汇编代码往上跟踪代码细节。说清楚保存和恢复中断现场TaskIrqContext过程。

编译开关

系列篇编译平台为 hi3516dv300，整个工程可前往查看。预编译处理过程会自动生成编译开关 menuconfig.h ，供编译阶段选择编译，可前往查看。


//....
#define LOSCFG_ARCH_ARM_VER "armv7-a"
#define LOSCFG_ARCH_CPU "cortex-a7"
#define LOSCFG_PLATFORM "hi3516dv300"
#define LOSCFG_PLATFORM_BSP_GIC_V2 1
#define LOSCFG_PLATFORM_ROOTFS 1
#define LOSCFG_KERNEL_CPPSUPPORT 1
#define LOSCFG_HW_RANDOM_ENABLE 1
#define LOSCFG_ARCH_CORTEX_A7 1
#define LOSCFG_DRIVERS_HDF_PLATFORM_RTC 1
#define LOSCFG_DRIVERS_HDF_PLATFORM_UART 1

中断初始化

hi3516dv300 中断控制器选择了 LOSCFG_PLATFORM_BSP_GIC_V2 ，对应代码为 gic_v2.c GIC（Generic Interrupt Controller）是ARM公司提供的一个通用的中断控制器。看这种代码因为涉及硬件部分，需要对照ARM中断控制器 gic_v2.pdf文档看。可前往地址下载查看。


//硬件中断初始化
VOID HalIrqInit(VOID)
{
    UINT32 i;

    /* set externel interrupts to be level triggered， active low. */  //将外部中断设置为电平触发，低电平激活
    for (i = 32; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 16) {
        GIC_REG_32(GICD_ICFGR(i / 16)) = 0;
    }

    /* set externel interrupts to CPU 0 */  //将外部中断设置为CPU 0
    for (i = 32; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 4) {
        GIC_REG_32(GICD_ITARGETSR(i / 4)) = 0x01010101;
    }

    /* set priority on all interrupts */  //设置所有中断的优先级
    for (i = 0; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 4) {
        GIC_REG_32(GICD_IPRIORITYR(i / 4)) = GICD_INT_DEF_PRI_X4;
    }

    /* disable all interrupts. */      //禁用所有中断。
    for (i = 0; i < OS_HWI_MAX_NUM; i += 32) {
        GIC_REG_32(GICD_ICENABLER(i / 32)) = ~0;
    }

    HalIrqInitPercpu();//初始化当前CPU中断信息

    /* enable gic distributor control */
    GIC_REG_32(GICD_CTLR) = 1; //使能分发中断寄存器，该寄存器作用是允许给CPU发送中断信号

#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    /* register inter-processor interrupt *///注册核间中断，啥意思？就是CPU各核直接可以发送中断信号
    //处理器间中断允许一个CPU向系统其他的CPU发送中断信号，处理器间中断（IPI）不是通过IRQ线传输的，而是作为信号直接放在连接所有CPU本地APIC的总线上。
    LOS_HwiCreate(LOS_MP_IPI_WAKEUP， 0xa0， 0， OsMpWakeHandler， 0);//注册唤醒CPU的中断处理函数
    LOS_HwiCreate(LOS_MP_IPI_SCHEDULE， 0xa0， 0， OsMpScheduleHandler， 0);//注册调度CPU的中断处理函数
    LOS_HwiCreate(LOS_MP_IPI_HALT， 0xa0， 0， OsMpScheduleHandler， 0);//注册停止CPU的中断处理函数
#endif
}
//给每个CPU core初始化硬件中断
VOID HalIrqInitPercpu(VOID)
{
    /* unmask interrupts */  //取消中断屏蔽
    GIC_REG_32(GICC_PMR) = 0xFF;

    /* enable gic cpu interface */  //启用gic cpu接口
    GIC_REG_32(GICC_CTLR) = 1;
}

解读：

  • 上来四个循环，是对中断控制器寄存器组的初始化，也就是驱动程序，驱动程序是配置硬件寄存器的过程。寄存器分通用和专用寄存器。下图为 gic_v2 的寄存器功能 ，这里对照代码和datasheet重点说下中断配置寄存器(GICD_ICFGRn)
  • 以下是GICD_ICFGRn的介绍
    • The GICD_ICFGRs provide a 2-bit Int_config field for each interrupt supported by the GIC. This field identifies whether the corresponding interrupt is edge-triggered or level-sensitive
    • GICD_ICFGRs为GIC支持的每个中断提供一个2位配置字段。此字段标识相应的中断是边缘触发的还是电平触发的。

0xC00 - 0xCFC GICD_ICFGRn RW IMPLEMENTATION DEFINED Interrupt Configuration Registers
#define GICD_ICFGR(n)                   (GICD_OFFSET + 0xc00 + (n) * 4) /* Interrupt Configuration Registers */    //中断配置寄存器

如此一个32位寄存器可以记录16个中断的信息，这也是代码中出现 GIC_REG_32(GICD_ICFGR(i / 16))的原因。

  • GIC-v2支持三种类型的中断：
    • PPI：私有外设中断(Private Peripheral Interrupt)，是每个CPU私有的中断。最多支持16个PPI中断，硬件中断号从ID16~ID31。PPI通常会送达到指定的CPU上，应用场景有CPU本地时钟。
    • SPI：公用外设中断(Shared Peripheral Interrupt)，最多可以支持988个外设中断，硬件中断号从ID32~ID1019。
    • SGI：软件触发中断(Software Generated Interrupt)通常用于多核间通讯，最多支持16个SGI中断，硬件中断号从ID0~ID15。SGI通常在内核中被用作 IPI 中断(inter-processor interrupts)，并会送达到系统指定的CPU上，函数的最后就注册了三个核间中断的函数。

typedef enum {//核间中断
    LOS_MP_IPI_WAKEUP，  //唤醒CPU
    LOS_MP_IPI_SCHEDULE，//调度CPU
    LOS_MP_IPI_HALT，  //停止CPU
} MP_IPI_TYPE;

中断相关的结构体


size_t g_intCount[LOSCFG_KERNEL_CORE_NUM] = {0};//记录每个CPUcore的中断数量 
HwiHandleForm g_hwiForm[OS_HWI_MAX_NUM];//中断注册表 @note_why 用 form 来表示？有种写 HTML的感觉 :P
STATIC CHAR *g_hwiFormName[OS_HWI_MAX_NUM] = {0};//记录每个硬中断的名称 
STATIC UINT32 g_hwiFormCnt[OS_HWI_MAX_NUM] = {0};//记录每个硬中断的总数量
STATIC UINT32 g_curIrqNum = 0; //记录当前中断号
typedef VOID (*HWI_PROC_FUNC)(VOID); //中断函数指针
typedef struct tagHwiHandleForm {  
    HWI_PROC_FUNC pfnHook;  //中断处理函数
    HWI_ARG_T uwParam;    //中断处理函数参数
    struct tagHwiHandleForm *pstNext;  //节点，指向下一个中断，用于共享中断的情况
} HwiHandleForm;

typedef struct tagIrqParam {  //中断参数
    int swIrq;    //  软件中断
    VOID *pDevId;  //  设备ID
    const CHAR *pName;  //名称
} HwiIrqParam;

注册硬中断


/******************************************************************************
 创建一个硬中断
 中断创建，注册中断号、中断触发模式、中断优先级、中断处理程序.中断被触发时，
 handleIrq会调用该中断处理程序
******************************************************************************/
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_HwiCreate(HWI_HANDLE_T hwiNum，  //硬中断句柄编号 默认范围[0-127]
                                           HWI_PRIOR_T hwiPrio，    //硬中断优先级  
                                           HWI_MODE_T hwiMode，    //硬中断模式 共享和非共享
                                           HWI_PROC_FUNC hwiHandler，//硬中断处理函数
                                           HwiIrqParam *irqParam)  //硬中断处理函数参数
{
    UINT32 ret;

    (VOID)hwiPrio;
    if (hwiHandler == NULL) {//中断处理函数不能为NULL
        return OS_ERRNO_HWI_PROC_FUNC_NULL;
    }
    if ((hwiNum > OS_USER_HWI_MAX) || ((INT32)hwiNum < OS_USER_HWI_MIN)) {//中断数区间限制 [32，96]
        return OS_ERRNO_HWI_NUM_INVALID;
    }

#ifdef LOSCFG_NO_SHARED_IRQ  //不支持共享中断
    ret = OsHwiCreateNoShared(hwiNum， hwiMode， hwiHandler， irqParam);
#else
    ret = OsHwiCreateShared(hwiNum， hwiMode， hwiHandler， irqParam);
#endif
    return ret;
}
//创建一个共享硬件中断，共享中断就是一个中断能触发多个响应函数
STATIC UINT32 OsHwiCreateShared(HWI_HANDLE_T hwiNum， HWI_MODE_T hwiMode，
                                HWI_PROC_FUNC hwiHandler， const HwiIrqParam *irqParam)
{
    UINT32 intSave;
    HwiHandleForm *hwiFormNode = NULL;
    HwiHandleForm *hwiForm = NULL;
    HwiIrqParam *hwiParam = NULL;
    HWI_MODE_T modeResult = hwiMode & IRQF_SHARED;

    if (modeResult && ((irqParam == NULL) || (irqParam->pDevId == NULL))) {
        return OS_ERRNO_HWI_SHARED_ERROR;
    }

    HWI_LOCK(intSave);//中断自旋锁

    hwiForm = &g_hwiForm[hwiNum];//获取中断处理项
    if ((hwiForm->pstNext != NULL) && ((modeResult == 0) || (!(hwiForm->uwParam & IRQF_SHARED)))) {
        HWI_UNLOCK(intSave);
        return OS_ERRNO_HWI_SHARED_ERROR;
    }

    while (hwiForm->pstNext != NULL) {//pstNext指向 共享中断的各处理函数节点，此处一直撸到最后一个
        hwiForm = hwiForm->pstNext;//找下一个中断
        hwiParam = (HwiIrqParam *)(hwiForm->uwParam);//获取中断参数，用于检测该设备ID是否已经有中断处理函数
        if (hwiParam->pDevId == irqParam->pDevId) {//设备ID一致时，说明设备对应的中断处理函数已经存在了。
            HWI_UNLOCK(intSave);
            return OS_ERRNO_HWI_ALREADY_CREATED;
        }
    }

    hwiFormNode = (HwiHandleForm *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0， sizeof(HwiHandleForm));//创建一个中断处理节点
    if (hwiFormNode == NULL) {
        HWI_UNLOCK(intSave);
        return OS_ERRNO_HWI_NO_MEMORY;
    }

    hwiFormNode->uwParam = OsHwiCpIrqParam(irqParam);//获取中断处理函数的参数
    if (hwiFormNode->uwParam == LOS_NOK) {
        HWI_UNLOCK(intSave);
        (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0， hwiFormNode);
        return OS_ERRNO_HWI_NO_MEMORY;
    }

    hwiFormNode->pfnHook = hwiHandler;//绑定中断处理函数
    hwiFormNode->pstNext = (struct tagHwiHandleForm *)NULL;//指定下一个中断为NULL，用于后续遍历找到最后一个中断项(见于以上 while (hwiForm->pstNext != NULL)处)
    hwiForm->pstNext = hwiFormNode;//共享中断

    if ((irqParam != NULL) && (irqParam->pName != NULL)) {
        g_hwiFormName[hwiNum] = (CHAR *)irqParam->pName;
    }

    g_hwiForm[hwiNum].uwParam = modeResult;

    HWI_UNLOCK(intSave);
    return LOS_OK;
}

解读：

  • 内核将硬中断进行编号，如：

  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER0        33
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER1        33
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER2        34
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER3        34
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER4        35
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER5        35
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER6        36
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER7        36
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_DMAC          60
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_UART0         38
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_UART1         39
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_UART2         40
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_UART3         41
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_UART4         42
  #define NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER         NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER4

例如：时钟节拍处理函数 OsTickHandler 就是在 HalClockInit中注册的。


//硬时钟初始化
VOID HalClockInit(VOID)
{
  // ...
  (void)LOS_HwiCreate(NUM_HAL_INTERRUPT_TIMER， 0xa0， 0， OsTickHandler， 0);//注册OsTickHandler到中断向量表 
}
//节拍中断处理函数 ，鸿蒙默认10ms触发一次
  LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID)
  {
      UINT32 intSave;
      TICK_LOCK(intSave);//tick自旋锁
      g_tickCount[ArchCurrCpuid()]++;// 累加当前CPU核tick数
      TICK_UNLOCK(intSave);
      OsTimesliceCheck();//时间片检查
      OsTaskScan(); /* task timeout scan *///扫描超时任务 例如:delay(300)
      #if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == YES)
          OsSwtmrScan();//扫描定时器，查看是否有超时定时器，加入队列
      #endif
  }
  • 开源鸿蒙是支持中断共享的，在OsHwiCreateShared中，将函数注册到g_hwiForm中。中断向量完成注册后，就是如何触发和回调的问题。触发在后续中断切换篇中会讲清楚，触发是从底层汇编向上调用，调用的C函数就是HalIrqHandler。

中断怎么触发的？

分两种情况:

  • 通过硬件触发，比如按键，USB的插拔这些中断源向中断控制器发送电信号(高低电平触发或是上升/下降沿触发)，中断控制器经过过滤后将信号发给对应的CPU处理，通过硬件改变PC和CPSR寄存值，直接跳转到中断向量(固定地址)执行。

  b   reset_vector            @开机代码
  b   _osExceptUndefInstrHdl   @异常处理之CPU碰到不认识的指令
  b   _osExceptSwiHdl      @异常处理之:软中断
  b   _osExceptPrefetchAbortHdl  @异常处理之:取指异常
  b   _osExceptDataAbortHdl    @异常处理之:数据异常
  b   _osExceptAddrAbortHdl    @异常处理之:地址异常
  b   OsIrqHandler        @异常处理之:硬中断
  b   _osExceptFiqHdl        @异常处理之:快中断
  • 通过软件触发，常见于核间中断的情况， 核间中断指的是几个CPU之间相互通讯的过程。以下为某一个CPU向其他CPU(可以是多个)发起让这些CPU重新调度LOS_MpSchedule的中断请求信号。最终是写了中断控制器的GICD_SGIR寄存器，这是一个由软件触发中断的寄存器。中断控制器会将请求分发给对应的CPU处理中断，即触发了OsIrqHandler。

//给参数CPU发送调度信号
  VOID LOS_MpSchedule(UINT32 target)//target每位对应CPU core 
{
      UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
      target &= ~(1U << cpuid);//获取除了自身之外的其他CPU
      HalIrqSendIpi(target， LOS_MP_IPI_SCHEDULE);//向目标CPU发送调度信号，核间中断(Inter-Processor Interrupts)，IPI
  }
  //SGI软件触发中断(Software Generated Interrupt)通常用于多核间通讯
  STATIC VOID GicWriteSgi(UINT32 vector， UINT32 cpuMask， UINT32 filter)
{
      UINT32 val = ((filter & 0x3) << 24) | ((cpuMask & 0xFF) << 16) |
                  (vector & 0xF);

      GIC_REG_32(GICD_SGIR) = val;//写SGI寄存器
  }
  //向指定核发送核间中断
  VOID HalIrqSendIpi(UINT32 target， UINT32 ipi)
{
      GicWriteSgi(ipi， target， 0);
  }

中断统一处理入口函数 HalIrqHandler


//硬中断统一处理函数，这里由硬件触发，调用见于 ..\arch\arm\arm\src\los_dispatch.S
VOID HalIrqHandler(VOID)
{
    UINT32 iar = GIC_REG_32(GICC_IAR);//从中断确认寄存器获取中断ID号
    UINT32 vector = iar & 0x3FFU;//计算中断向量号
    /*
     * invalid irq number， mainly the spurious interrupts 0x3ff，
     * gicv2 valid irq ranges from 0~1019， we use OS_HWI_MAX_NUM
     * to do the checking.
     */
    if (vector >= OS_HWI_MAX_NUM) {
        return;
    }
    g_curIrqNum = vector;//记录当前中断ID号
    OsInterrupt(vector);//调用上层中断处理函数
    /* use orignal iar to do the EOI */
    GIC_REG_32(GICC_EOIR) = iar;//更新中断结束寄存器
}
VOID OsInterrupt(UINT32 intNum)//中断实际处理函数
{
    HwiHandleForm *hwiForm = NULL;
    UINT32 *intCnt = NULL;

    intCnt = &g_intCount[ArchCurrCpuid()];//当前CPU的中断总数量 ++
    *intCnt = *intCnt + 1;//@note_why 这里没看明白为什么要 +1

#ifdef LOSCFG_CPUP_INCLUDE_IRQ //开启查询系统CPU的占用率的中断
    OsCpupIrqStart();//记录本次中断处理开始时间
#endif

#ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS
    OsTicklessUpdate(intNum);
#endif
    hwiForm = (&g_hwiForm[intNum]);//获取对应中断的实体
#ifndef LOSCFG_NO_SHARED_IRQ  //如果没有定义不共享中断 ，意思就是如果是共享中断
    while (hwiForm->pstNext != NULL) { //一直撸到最后
        hwiForm = hwiForm->pstNext;//下一个继续撸
#endif
        if (hwiForm->uwParam) {//有参数的情况
            HWI_PROC_FUNC2 func = (HWI_PROC_FUNC2)hwiForm->pfnHook;//获取回调函数
            if (func != NULL) {
                UINTPTR *param = (UINTPTR *)(hwiForm->uwParam);
                func((INT32)(*param)， (VOID *)(*(param + 1)));//运行带参数的回调函数
            }
        } else {//木有参数的情况
            HWI_PROC_FUNC0 func = (HWI_PROC_FUNC0)hwiForm->pfnHook;//获取回调函数
            if (func != NULL) {
                func();//运行回调函数
            }
        }
#ifndef LOSCFG_NO_SHARED_IRQ
    }
#endif
    ++g_hwiFormCnt[intNum];//中断号计数器总数累加

    *intCnt = *intCnt - 1;  //@note_why 这里没看明白为什么要 -1 
#ifdef LOSCFG_CPUP_INCLUDE_IRQ  //开启查询系统CPU的占用率的中断
    OsCpupIrqEnd(intNum);//记录中断处理时间完成时间
#endif
}

解读：

统一中断处理函数是一个通过一个中断号去找到注册函数的过程，分四步走:

  • 第一步:取号，这号是由中断控制器的 GICC_IAR寄存器提供的，这是一个专门保存当前中断号的寄存器。
  • 第二步:从注册表g_hwiForm中查询注册函数，同时取出参数。
  • 第三步:执行函数，也就是回调注册函数，分有参和无参两种情况 func(…)，在中断共享的情况，注册函数会指向 next 注册函数pstNext，依次执行回调函数，这是中断共享的实现细节。

typedef struct tagHwiHandleForm {  
      HWI_PROC_FUNC pfnHook;  //中断处理函数
      HWI_ARG_T uwParam;    //中断处理函数参数
      struct tagHwiHandleForm *pstNext;  //节点，指向next中断，用于共享中断的情况
} HwiHandleForm;
  • 第四步:销号，本次中断完成了就需要消除记录，中断控制器也有专门的销号寄存器GICC_EOIR

另外的是一些统一数据，每次中断号处理内核都会记录次数，和耗时，以便定位/跟踪/诊断问题。

A bridge has been destroyed in the war with smoke and fire by Cornerstoneman

百文说内核 | 抓住主脉络

子曰：“诗三百，一言以蔽之，曰‘思无邪’。”——《论语》：为政篇。百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在开源鸿蒙内核源码加注释过程中，每每有心得处就整理，慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下：

根据上图的思维导图，我们未来将要和大家一一分享以上大部分关键技术点的博客文章。

百万汉字注解.精读内核源码

如果大家觉得看文章不过瘾，想直接撸代码的话，可以去下面四大码仓围观同步注释内核源码：

gitee仓：

https://gitee.com/weharmony/kernel_liteos_a_note

github仓 ：

https://github.com/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

codechina仓：

https://codechina.csdn.net/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

coding仓：

https://weharmony.coding.net/public/harmony/kernel_liteos_a_note/git/files

写在最后

我们最近正带着大家玩嗨OpenHarmony。如果你有用OpenHarmony开发的好玩的东东，或者有对OpenHarmony的深度技术剖析，想通过我们平台让更多的小伙伴知道和分享的，欢迎投稿，让我们一起嗨起来！有点子，有想法，有Demo，立刻联系我们：

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