PowerPC处理器上vxWorks 异常和中断处理过程解析

异常和中断处理过程是每个体系结构和OS都要面对的重要问题，本文从硬件角度以及软件角度来分析PowerPc这个过程，文字水平有限，将就着看。

PowerPC定义了十几种异常，其中常见的如DataTLB miss, Instruction TLB miss, external input....每一个都有固定的地址(ivorn)，从物理地址0x100开始.0x500是中断入口，0xe00是DTLBmiss,0xf00是itlbmiss入口.首先整体了解一下中断发生时硬件/软件处理流程，硬件会做什么，OS软件要做什么。

PowerPC 中断的硬件处理流程：(ePAPR第四章)

1. 把正在执行的指令序列下一条指令地址保存到中断寄存器SRR0(Save/RestoreRegiser 0)。

2. 把当前 MSR 的内容保存到 SRR1。

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

【注】：PowerPC有两种执行模式，分别为用户模式(UserMode) 和特权模式(SupervisorMode), MSR[PR]=0 表示特权模式。Linux内核运行在特权模式，而普通程序运行在用户模式。vxWorks全部运行在特权模式。

1. 在新的 MSR 状态下，从中断向量偏移处开始指令读取和执行。

2. 外部中断处理结束时，必须通过 rfi 指令返回。

3. rfi 的执行，会把 SRR1 的内容恢复到 MSR, 并从 SRR0 所保存的地址处继续执行。

PowerPC Linux (软件)中断处理程序

异常向量ExternalInput处的处理程序主要分为以下几个步骤：

1. NORMAL_EXCEPTION_PROLOG宏

建立用户中断处理程序的栈帧，并把一些寄存器的值保存在栈帧中，它们在栈帧中布局由structpt_regs 定义。

2. 执行 do_IRQ

在irq_enter()函数中更新preempt_count。 读MPIC的IACK寄存器，通知MPIC开始处理该中断，同时获取MPIC中断号,映射为软件中断号，找到并运行注册在该软件中断号上的用户中断处理程序，最后写MPIC的EOI寄存器，通知MPIC中断处理结束。

在irq_exit()中更新preempt_count,调用invoke_softirq()处理pending的软中断。

3. ret_from_except

某些条件满足时，进行进程调度和信号处理，最后调用rfi指令返回。

PowerPC vxWorks(软件)中断处理程序

VxWorks的处理流程大体上与linux一样，只是在代码实现细节上存在些区别。

代码的调用路径：usrInit ->excVecInit ->excVecConnectCommon

代码实现过程：

把一段机器码excConnectCode[]拷贝到每个异常vector的入口地址处(excVecConnectCommon里实现)，再重新计算异常处理函数的地址并覆盖通用处理函数地址。

[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 */

};

整个过程中最关键的就是这段机器码数组，一共12条指令。

[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]，防止在保存中断context时被CE中断打断

[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是通用中断/异常入口和出口函数，中断进前者，异常进后者，主要作用是保存context以及恢复context，设置中断栈，保存易失的寄存器变量。。。。。

excIntHandle/excExcHandle也是通用处理函数，主要作用是打印下异常信息，对于关键异常或者中断的话，都有自己单独的处理函数，会在接下来的初始化过程中逐个把xxxHandler换成专用的处理函数，实现的方法是直接修改机器码后16bit。

MMU初始化的时候替换excExcHandle为mmuPpcDataTlbMissHandler/mmuPpcInstTlbMissHandler

MPIC初始化的时候会用vxbMpicIntHandler替换excIntHandle来调用ISR

WD/Timer初始化的时候也会替换成自己的Handler

至此，真正中断/异常来的时候会执行intEnt->vxbMpicIntHandler->intExit

下面的代码实现是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 */