PowerPC處理器上vxWorks 異常和中斷處理過程解析

異常和中斷處理過程是每個體系結(jié)構(gòu)和OS都要面對的重要問題，本文從硬件角度以及軟件角度來分析PowerPc這個過程，文字水平有限，將就著看。

PowerPC定義了十幾種異常，其中常見的如DataTLB miss, Instruction TLB miss, external input....每一個都有固定的地址(ivorn)，從物理地址0x100開始.0x500是中斷入口，0xe00是DTLBmiss,0xf00是itlbmiss入口.首先整體了解一下中斷發(fā)生時硬件/軟件處理流程，硬件會做什么，OS軟件要做什么。

PowerPC 中斷的硬件處理流程：(ePAPR第四章)

1. 把正在執(zhí)行的指令序列下一條指令地址保存到中斷寄存器SRR0(Save/RestoreRegiser 0)。

2. 把當(dāng)前 MSR 的內(nèi)容保存到 SRR1。

3. 把 MSR 某些比特置為 0，如MSR[SPE,WE,EE,PR,FP,FE0,FE1,IS,DS]are 0 by all interrupts.

【注】：PowerPC有兩種執(zhí)行模式，分別為用戶模式(UserMode) 和特權(quán)模式(SupervisorMode), MSR[PR]=0 表示特權(quán)模式。Linux內(nèi)核運(yùn)行在特權(quán)模式，而普通程序運(yùn)行在用戶模式。vxWorks全部運(yùn)行在特權(quán)模式。

1. 在新的 MSR 狀態(tài)下，從中斷向量偏移處開始指令讀取和執(zhí)行。

2. 外部中斷處理結(jié)束時，必須通過 rfi 指令返回。

3. rfi 的執(zhí)行，會把 SRR1 的內(nèi)容恢復(fù)到 MSR, 并從 SRR0 所保存的地址處繼續(xù)執(zhí)行。

PowerPC Linux (軟件)中斷處理程序

異常向量ExternalInput處的處理程序主要分為以下幾個步驟：

1. NORMAL_EXCEPTION_PROLOG宏

建立用戶中斷處理程序的棧幀，并把一些寄存器的值保存在棧幀中，它們在棧幀中布局由structpt_regs 定義。

2. 執(zhí)行 do_IRQ

在irq_enter()函數(shù)中更新preempt_count。 讀MPIC的IACK寄存器，通知MPIC開始處理該中斷，同時獲取MPIC中斷號,映射為軟件中斷號，找到并運(yùn)行注冊在該軟件中斷號上的用戶中斷處理程序，最后寫MPIC的EOI寄存器，通知MPIC中斷處理結(jié)束。

在irq_exit()中更新preempt_count,調(diào)用invoke_softirq()處理pending的軟中斷。

3. ret_from_except

某些條件滿足時，進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和信號處理，最后調(diào)用rfi指令返回。

PowerPC vxWorks(軟件)中斷處理程序

VxWorks的處理流程大體上與linux一樣，只是在代碼實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上存在些區(qū)別。

代碼的調(diào)用路徑：usrInit ->excVecInit ->excVecConnectCommon

代碼實(shí)現(xiàn)過程：

把一段機(jī)器碼excConnectCode[]拷貝到每個異常vector的入口地址處(excVecConnectCommon里實(shí)現(xiàn))，再重新計(jì)算異常處理函數(shù)的地址并覆蓋通用處理函數(shù)地址。

[cpp] view plain copyLOCAL INSTR excConnectCode[]=

{

/* data word byte opcode operands */

0x7c7343a6, /* 0 0x00 mtspr SPRG3, p0 */

0x7c6000a6, /* 1 0x04 mfmsr p0 */

0x546303da, /* 2 0x08 rlwinm p0,p0,0,15,13 clear MSR[CE] */

0x7c600124, /* 3 0x0c mtmsr p0 */

0x60000000, /* 4 0x10 nop */

/* If either ofthe above, add 4 words/0x10bytes to following offsets */

0x7c6802a6, /* 1 0x04 mflr p0 */

0x48000001, /* 2(6) 0x08/18 bl xxxEnt */

0x38610000, /* 3 0x0c addi r3, sp, 0 */

0x9421fff0, /* 4 0x10 stwu sp, -FRAMEBASESZ(sp) */

0x48000001, /* 5(9) 0x14/24 bl xxxHandler */

0x38210010, /* 6 0x18 addi sp, sp, FRAMEBASESZ */

0x48000001 /* 7(11) 0x1c/2c bl xxxExit */

};

整個過程中最關(guān)鍵的就是這段機(jī)器碼數(shù)組，一共12條指令。

[cpp] view plain copy0x7c7343a6, /* 0 0x00 mtspr SPRG3, p0 */

0x7c6000a6, /* 1 0x04 mfmsr p0 */

0x546303da, /* 2 0x08 rlwinm p0,p0,0,15,13 clear MSR[CE] */

0x7c600124, /* 3 0x0c mtmsr p0 */

0x60000000, /* 4 0x10 nop

首先清MSR[CE]，防止在保存中斷context時被CE中斷打斷

[cpp] view plain copy0x7c6802a6, /* 1 0x04 mflr p0 */

0x48000001, /* 2(6) 0x08/18 bl xxxEnt */

0x38610000, /* 3 0x0c addi r3, sp, 0 */

0x9421fff0, /* 4 0x10 stwu sp, -FRAMEBASESZ(sp) */

0x48000001, /* 5(9) 0x14/24 bl xxxHandler */

0x38210010, /* 6 0x18 addi sp, sp, FRAMEBASESZ */

0x48000001 /* 7(11) 0x1c/2c bl xxxExit */

xxxEnt是intEntorexcEnt.

xxxHandler是 excIntHandle or excExcHandle

xxxExit是intExitor excExit.

其中intEnt/intExit,excEnt/excExit是通用中斷/異常入口和出口函數(shù)，中斷進(jìn)前者，異常進(jìn)后者，主要作用是保存context以及恢復(fù)context，設(shè)置中斷棧，保存易失的寄存器變量。。。。。

excIntHandle/excExcHandle也是通用處理函數(shù)，主要作用是打印下異常信息，對于關(guān)鍵異?；蛘咧袛嗟脑?，都有自己單獨(dú)的處理函數(shù)，會在接下來的初始化過程中逐個把xxxHandler換成專用的處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)的方法是直接修改機(jī)器碼后16bit。

MMU初始化的時候替換excExcHandle為mmuPpcDataTlbMissHandler/mmuPpcInstTlbMissHandler

MPIC初始化的時候會用vxbMpicIntHandler替換excIntHandle來調(diào)用ISR

WD/Timer初始化的時候也會替換成自己的Handler

至此，真正中斷/異常來的時候會執(zhí)行intEnt->vxbMpicIntHandler->intExit

下面的代碼實(shí)現(xiàn)是intEnt，可以看看里面都做了哪些事情

[cpp] view plain copy864 /*

865 *ThePowerPC Family doesn't support the notion of an interrupt

866 * stackinhardware. To avoid having to allowspacefor interrupt

867 *handlingin each task stack, this stub switches from the task

868 * stacktothe interrupt stack by changing the value of the SP(R1).

869 * Iftheinterrupt is nested, we don't need to switch stacks but

870 * wedoneed to check for overflow.[!--empirenews.page--]

871 */

893 _PPC_PER_CPU_VALUE_GET(p0,vxIntStackBase)

894 stwu sp, -_PPC_ESF_STK_SIZE(p0) /* carve stack */

895 mr sp, p0 /* switch tointerruptstack */

/*

1251 * The critical status are saved atthisstage. The interrupt should

1252 *beenabled as soon as possible to reduce the interrupt latency.

1253 *However,there is only one mask bit on PowerPC. It is at the

1254 *interruptcontroller level to set mask for each individual

1255 *interrupt.

1256 * Thus,wesave task's register first, then call interrupt controller

1257 *routineto decide if the interrupt should be re-enabled or not.

1258 */

mfspr p0, XER /* load XER to P0 */

1261 stw p0, _PPC_ESF_XER(sp) /* save XER to the stack */

1262

1263 mfspr p0, CTR /* load CTR to P0 */

1264 stw p0, _PPC_ESF_CTR(sp) /* save CTR to the stack */

1265

1266#if (CPU==PPC601)

1267 mfspr p0, MQ /* load MQ to P0 */

1268 stw p0, _PPC_ESF_MQ(sp) /* save MQ to the stack */

1269#endif /*(CPU==PPC601)*/

1270#if (defined(_WRS_CONFIG_PPC_E500))

1271#ifdef _WRS_SPE_SUPPORT

1272 mfspr p0, SPEFSCR /* load SPEFSCR to P0 */

1273 stw p0, _PPC_ESF_SPEFSCR(sp) /* save SPEFSCR to the stack */

1274#endif /*_WRS_SPE_SUPPORT */

1275#endif /*(defined(_WRS_CONFIG_PPC_E500)) */

1276

1277 stw r0, _PPC_ESF_R0(sp) /* save general register 0 */

1278 stw r2, _PPC_ESF_R2(sp) /* save general register 2 */

1279

1280 stw p2, _PPC_ESF_P2(sp) /* save general register 5 */

1281 stw p3, _PPC_ESF_P3(sp) /* save general register 6 */

1282 stw p4, _PPC_ESF_P4(sp) /* save general register 7 */

1283 stw p5, _PPC_ESF_P5(sp) /* save general register 8 */

1284 stw p6, _PPC_ESF_P6(sp) /* save general register 9 */

1285 stw p7, _PPC_ESF_P7(sp) /* save general register 10 */

1286

1287 stw r11,_PPC_ESF_R11(sp) /* savegeneral register 11 */

1288 stw r12, _PPC_ESF_R12(sp) /* save general register 12 */

1289 stw r13, _PPC_ESF_R13(sp) /* save general register 13 */

1290 beqlr+ cr4 /* return to vector unlessstackoverflow */