3.3. start_kernel() 함수에서의 IDT 의 초기화

3.3.2.1. 8259A and I/O APIC

인텔의 프로세서들에는 외부 인터럽트 시그널을 받아들이기 위해 준비된 핀들이 있다(다른 프로세서도 마찬가지다 -ㅅ-) 특히 P6 패밀리에는 LINT0 LINT1 이라는 핀과 INTR, NMI 핀의 두가지가 존재하는데, LINT[1:0] 핀은 프로세서 내부의 local APIC(Advanced Programmable Interrupt Controller) 과 연결되어 있다. 이 핀들은, 프로세서에서 local APIC 이 disable 되었을 경우, 각각 INTR 과 NMI 핀으로써 동작한다. 일반적으로, APIC 가 사용되는 경우는 SMP (Symmetic Multi Processor, 대칭형 다중 프로세서) 시스템에서 외부의 I/O APIC 컨트롤러와 함께 사용되어져서 프로세서 간의 통신 등에 사용된다. 만약 single processor 시스템에서 사용된다면, 외부 인터럽트 컨트롤 뿐만 아니라 프로세서 자체의 타이머, performance counter 등과 같은 인터럽트, 또한, Non Maskable Interrupt Watchdog 같은 인터럽트도 사용할 수 있도록 해 준다.

이 문서에서는 single processor 시스템에서 외부 인터럽트 컨트롤러로 8259A 를 사용하고 있는 상황을 예로 들겠다. APIC 시스템에 대해서는 multiprocessor 시스템과 밀접한 관련이 있기 때문에 다루지 않겠다.

우선, 8259A 컨트롤러에 대해서 알아보도록 하겠다.

8259A/82C59A-2 컨트롤러들은 IR0 - IR7 까지의 8 개의 인터럽트 핀을 가지고 있다. I/O 장치들이 cpu 의 처리가 필요할 때에는 이 핀들 중 하나에 시그널을 보낸다. 그러면, 8259 컨트롤러는 자신의 INT 핀을 activate 시키는데, 이 핀은 CPU 의 INTR 라인에 연결되어 있다. INTR 라인이 active 되면, CPU 는 실행하던 instruction 의 수행을 완료하고, 8259 의 INTA 라인에 INTR 신호를 받았다는 뜻으로 (acknowledge) 신호를 해 준다. 자신의 INTA 라인에 CPU 에서 준 신호를 받은 8259 컨트롤러는 자신과 연결되어 있는 데이터 버스에 인터럽트 서비스 루틴의 주소 (8-bit) 를 실어 준다. CPU 의 종류에 따라서 이처럼 데이터 버스(D0 - D7) 에 데이터를 실어주는 phase 가 두번 혹은 한번 일어날 수 있다. 그러면, CPU 는 데이터버스에 실린 내용을 읽어서 interrupt type number 를 결정하고, 해당되는 인터럽트 서비스 루틴(ISR) 을 실행시킨다.

일반적으로 우리가 사용하는 ibm pc 에서는 8259 칩 두개를 cascade 시켜서 총 15 개의 IRQ 라인을 사용하게 된다. IRQ 라인 중 하나는 두개의 컨트롤러를 서로 cascade 할 때에 사용한다. 두개의 8259 컨트롤러는 다음 그림과 같이 cascade 해서 사용할 수 있다 : (그림에선 세개를 cascade 시킨 경우를 보였는데, 여기서 하나만 삭제한 상태로 이해하기 바란다)

이처럼 cascade 되었을 경우, slave 의 INT 라인이 master 의 IRQ 라인 중 하나로 들어가게 된다.

이처럼 8259 의 IRQ 라인에 신호가 들어오고서, CPU 에서 INT 신호를 8259가 받은 후, 데이터 버스에 실어 주는 내용과, 그것을 CPU 가 어떻게 해석해서 동작하는가에 대한 내용은, 자료를 자세히 읽어보지 않아서 잘 모르겠습니다. 혹시 아시는 분께서는, 혹은, 관심이 있어서 저 대신 조사하신 분들께서는 제게 가르침을 주시면 감사하겠습니다. :) 아마도, 어느날엔가 제가 여유가 생기면 조사해 보겠지만, 언제가 될지는 장담하기 어렵군요 :(

3.3.2.2. init_IRQ() 함수

이제, IRQ n 에 해당하는 벡터들과 서비스 루틴들을 초기화 시키는 함수인 init_IRQ() 함수로 들어가 보도록 하겠다.

첫 단계로, init_IRQ() 함수를 리스트해 보도록 하겠다 :

---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/arch/i386/kernel/i8259.c ---------------------------------------------------------- void __init init_IRQ(void) { int i; #ifndef CONFIG_X86_VISWS_APIC init_ISA_irqs(); #else init_VISWS_APIC_irqs(); #endif /* * Cover the whole vector space, no vector can escape * us. (some of these will be overridden and become * 'special' SMP interrupts) */ for (i = 0; i < NR_IRQS; i++) { int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i; if (vector != SYSCALL_VECTOR) set_intr_gate(vector, interrupt[i]); } : :

여기에 나오는 set_intr_gate() 함수는 앞서 설명했던, set_trap_gate() 함수와 인자값만 달리하여서 _set_gate() 함수를 콜하는 매크로로 정의되어 있다. 그러면, 어떤값이 interrupt descriptor table 에 들어가게 되는지 앞에서 설명하였다.

우선, 인텔 아키텍처에서의 인터럽트는 0x00 - 0x1f 까지 32개의 인터럽트는 프로세서가 용도를 미리 지정해두고서 사용하게 되어 있다는 사실을 주지해야 한다. 그러면, 비어있는 최초의 벡터인 0x20 번 벡터로부터는 외부 인터럽트, 즉, 프로세서의 INTR 핀으로부터 signalling 되는 인터럽트들, 즉, 외부 인터럽트 리퀘스트 라인으로부터의 인터럽트를 처리하는 벡터가 들어가게 된다. 즉, IRQ(Interrupt ReQuest Line) 0 번은, 프로세서의 인터럽트 게이트 20번째 엔트리에서 정의하는 벡터에서 처리하게 되는 것이다.

그럼, 다시 함수로 돌아가서 내용을 하나씩 살펴보도록 하자. NR_IRQS 값만큼 루프를 돌면서 FIRST_EXTERNAL_VECTOR 번째 게이트로부터 하나씩 interrupt[] 배열에 정의된 함수 포인터를 벡터로 할당하고 있다. 전역변수 interrupt 는 같은 파일에 다음과 같이 정의되어 있다 :

---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/arch/i386/kernel/i8259.c ---------------------------------------------------------- #define IRQ(x,y) \ IRQ##x##y##_interrupt #define IRQLIST_16(x) \ IRQ(x,0), IRQ(x,1), IRQ(x,2), IRQ(x,3), \ IRQ(x,4), IRQ(x,5), IRQ(x,6), IRQ(x,7), \ IRQ(x,8), IRQ(x,9), IRQ(x,a), IRQ(x,b), \ IRQ(x,c), IRQ(x,d), IRQ(x,e), IRQ(x,f) void (*interrupt[NR_IRQS])(void) = { IRQLIST_16(0x0), #ifdef CONFIG_X86_IO_APIC IRQLIST_16(0x1), IRQLIST_16(0x2), IRQLIST_16(0x3), IRQLIST_16(0x4), IRQLIST_16(0x5), IRQLIST_16(0x6), IRQLIST_16(0x7), IRQLIST_16(0x8), IRQLIST_16(0x9), IRQLIST_16(0xa), IRQLIST_16(0xb), IRQLIST_16(0xc), IRQLIST_16(0xd) #endif };

여기서 각각의 #define 매크로를 expand 시키는 것까지는 이야기하지 않겠다. 결과만 이야기하자면, interrupt[] 배열의 각 엔트리는 각각 IRQ0xNN_interrupt() 라는 어셈블리 함수(레이블)를 가리키는 포인터로 구성되게 된다.

다시한번 소스를 읽어보 겠다. (CONFIG_X86_VISWS_APIC 옵션은, SGI Visual Workstation 을 선택했을 때만 생기는 옵션이다. 지금 x86 을 다루고 있으므로 무시하고 넘어가자) 우선, init_ISA_irqs() 함수에서는 다음과 같이 나중에 실제 인터럽트 핸들링시에 사용할 irq_desc[] 배열을 초기화 한다 :

---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/arch/i386/kernel/i8259.c ---------------------------------------------------------- void __init init_ISA_irqs (void) { int i; init_8259A(0); for (i = 0; i < NR_IRQS; i++) { irq_desc[i].status = IRQ_DISABLED; irq_desc[i].action = 0; irq_desc[i].depth = 1; if (i < 16) { /* * 16 old-style INTA-cycle interrupts: */ irq_desc[i].handler = &i8259A_irq_type; } else { /* * 'high' PCI IRQs filled in on demand */ irq_desc[i].handler = &no_irq_type; } } }

이 함수에서는 irq_desc[] 배열의 초기화를 하는데, irq_desc[] 배열에 관한 자세한 내용은 나중에 이야기하도록 하고, 일단, 간단한 사항만 이야기하고 넘어가겠다. irq_desc[] 배열은 다음과 같이 선언되어 있다 :

---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/include/linux/interrupt.h ---------------------------------------------------------- struct irqaction { void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *); unsigned long flags; unsigned long mask; const char *name; void *dev_id; struct irqaction *next; }; ---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/include/linux/irq.h ---------------------------------------------------------- /* * Interrupt controller descriptor. This is all we need * to describe about the low-level hardware. */ struct hw_interrupt_type { const char * typename; unsigned int (*startup)(unsigned int irq); void (*shutdown)(unsigned int irq); void (*enable)(unsigned int irq); void (*disable)(unsigned int irq); void (*ack)(unsigned int irq); void (*end)(unsigned int irq); void (*set_affinity)(unsigned int irq, unsigned long mask); }; typedef struct hw_interrupt_type hw_irq_controller; /* * This is the "IRQ descriptor", which contains various information * about the irq, including what kind of hardware handling it has, * whether it is disabled etc etc. * * Pad this out to 32 bytes for cache and indexing reasons. */ typedef struct { unsigned int status; /* IRQ status */ hw_irq_controller *handler; struct irqaction *action; /* IRQ action list */ unsigned int depth; /* nested irq disables */ spinlock_t lock; } ____cacheline_aligned irq_desc_t; extern irq_desc_t irq_desc [NR_IRQS];

이 구조체 배열은 각각의 irq 라인의 상태에 관한 정보와 그에 따른 핸들러들의 포인터를 가지고 있게 된다. 최초에는, init_ISA_irqs() 함수에서 보이듯이, status 에 IRQ_DISABLED 라는 값을 넣고, 0 - 15 번의 원소의 handler 값은 모두 i8259A_irq_type 을 가리키는 포인터로 초기화된다. i8259A_irq_type 은 다음과 같이 정의되어 있다 :

---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/arch/i386/kernel/i8259.c ---------------------------------------------------------- static struct hw_interrupt_type i8259A_irq_type = { "XT-PIC", startup_8259A_irq, shutdown_8259A_irq, enable_8259A_irq, disable_8259A_irq, mask_and_ack_8259A, end_8259A_irq, NULL };

자세한 것은 뒤에서 다루기로 하고, 다시 init_IRQ() 함수로 돌아가자.

앞서 이야기한 것처럼 IDT 의 각각의 원소의 벡터를 IRQ0xNN_interrupt() 레이블을 가리키도록 설정하고, 리턴한다. IRQ0xNN_interrupt() 레이블은 어떻게 정의되어 있는지 따라가 보겠다. i8259.c 파일의 첫부분에 보면 다음과 같은 매크로가 정의되어 있다 :

---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/arch/i386/kernel/i8259.c ---------------------------------------------------------- /* * Common place to define all x86 IRQ vectors * * This builds up the IRQ handler stubs using some ugly macros in irq.h * * These macros create the low-level assembly IRQ routines that save * register context and call do_IRQ(). do_IRQ() then does all the * operations that are needed to keep the AT (or SMP IOAPIC) * interrupt-controller happy. */ BUILD_COMMON_IRQ() #define BI(x,y) \ BUILD_IRQ(x##y) #define BUILD_16_IRQS(x) \ BI(x,0) BI(x,1) BI(x,2) BI(x,3) \ BI(x,4) BI(x,5) BI(x,6) BI(x,7) \ BI(x,8) BI(x,9) BI(x,a) BI(x,b) \ BI(x,c) BI(x,d) BI(x,e) BI(x,f) /* * ISA PIC or low IO-APIC triggered (INTA-cycle or APIC) interrupts: * (these are usually mapped to vectors 0x20-0x2f) */ BUILD_16_IRQS(0x0)

처음 나오는 BUILD_COMMON_IRQ() 매크로는 다음처럼 정의되어 있다 :

---------------------------------------------------------- /usr/src/linux/include/asm-i386/hw_irq.h ---------------------------------------------------------- #define BUILD_COMMON_IRQ() \ asmlinkage void call_do_IRQ(void); \ __asm__( \ "\n" __ALIGN_STR"\n" \ "common_interrupt:\n\t" \ SAVE_ALL \ "pushl $ret_from_intr\n\t" \ SYMBOL_NAME_STR(call_do_IRQ)":\n\t" \ "jmp "SYMBOL_NAME_STR(do_IRQ));