ARM Exception Handler -1-

32bit ARM 프로세스에 exception이 발생하면 가상 벡터 주소(하이벡터=0xffff_0000, 로우벡터=0x0000_0000)의 8개의 각 exception을 담당하는 엔트리로 jump를 하게된다.

가장 첫 exception 엔트리가 reset 벡터가 있고 그 뒤로 나머지 7개의 exception 엔트리가 위치한다. 다음 8개의 exception 별로 호출되는 부분을 알아보자.

  • Reset
    • vector_rst 레이블로 jump 하고 swi 0을 호출하여 swi exception을 발생하게 한 후 이어서 vector_und: 레이블로 jump 한다.
  • Undefined
    • vector_und 레이블로 jump 하고 exception 당시의 프로세스 모드에 따라 __und_usr, __und_svc 또는 __und_invalid 레이블로 점프한다.
    • exception 처리를 마치고 돌아가는 주소는 exception 당시의 pc 위치로 복귀한다.
  • SWI
    • 벡터 테이블 바로 다음 페이지에 위치한 첫 엔트리에 vector_swi 레이블의 위치가 담겨있고 이 위치로 jump 한다.
    • exception 처리를 마치고 돌아가는 주소는 exception 당시의 pc-4 위치로 복귀한다.
  • Prefetch Abort
    • vector_pabt 레이블로 jump 하고 exception 당시의 프로세스 모드에 따라 __pabt_usr, __pabt_svc 또는 __pabt_invalid 레이블로 점프한다.
    • exception 처리를 마치고 돌아가는 주소는 exception 당시의 pc-4 위치로 복귀한다.
  • Data Abort
    • vector_dabt 레이블로 jump 하고 exception 당시의 프로세스 모드에 따라 __dabt_usr, __dabt_svc 또는 __dabt_invalid 레이블로 점프한다.
    • exception 처리를 마치고 돌아가는 주소는 exception 당시의 pc-8 위치로 복귀한다.
  • Address
    • vector_addrexcptn 레이블로 jump 한다. 이 주소는 현재 사용하지 않으므로 이 곳으로 진입하면 매우 위험하다.
  • IRQ
    • vector_irq 레이블로 jump 하고 exception 당시의 프로세스 모드에 따라 __irq_usr, __irq_svc 또는 __irq_invalid 레이블로 점프한다.
    • exception 처리를 마치고 돌아가는 주소는 exception 당시의 pc-4 위치로 복귀한다.
  • FIQ
    • vector_fiq 레이블로 jump 하고 exception 당시의 프로세스 모드에 따라 __fiq_usr, __fiq_svc 또는 __fiq_abt  레이블로 점프한다.
    • exception 처리를 마치고 돌아가는 주소는 exception 당시의 pc-4 위치로 복귀한다.

 

다음 그림은 8개의 exception 벡터로 jump된 후 각각의 exception 핸들러를 호출하는 모습을 보여준다.

 

공통 핸들러

유저 모드에서 진입 시 레지스터 백업

usr_entry

arch/arm/kernel/entry-armv.S

/*
 * User mode handlers
 *
 * EABI note: sp_svc is always 64-bit aligned here, so should S_FRAME_SIZE
 */

#if defined(CONFIG_AEABI) && (__LINUX_ARM_ARCH__ >= 5) && (S_FRAME_SIZE & 7)
#error "sizeof(struct pt_regs) must be a multiple of 8"
#endif

        .macro  usr_entry, trace=1
 UNWIND(.fnstart        )
 UNWIND(.cantunwind     )       @ don't unwind the user space
        sub     sp, sp, #S_FRAME_SIZE
 ARM(   stmib   sp, {r1 - r12}  )
 THUMB( stmia   sp, {r0 - r12}  )

 ATRAP( mrc     p15, 0, r7, c1, c0, 0)
 ATRAP( ldr     r8, .LCcralign)

        ldmia   r0, {r3 - r5}
        add     r0, sp, #S_PC           @ here for interlock avoidance
        mov     r6, #-1                 @  ""  ""     ""        ""

        str     r3, [sp]                @ save the "real" r0 copied
                                        @ from the exception stack

 ATRAP( ldr     r8, [r8, #0])

        @
        @ We are now ready to fill in the remaining blanks on the stack:
        @
        @  r4 - lr_<exception>, already fixed up for correct return/restart
        @  r5 - spsr_<exception>
        @  r6 - orig_r0 (see pt_regs definition in ptrace.h)
        @
        @ Also, separately save sp_usr and lr_usr
        @
        stmia   r0, {r4 - r6}
 ARM(   stmdb   r0, {sp, lr}^                   )
 THUMB( store_user_sp_lr r0, r1, S_SP - S_PC    )

        @ Enable the alignment trap while in kernel mode
 ATRAP( teq     r8, r7)
 ATRAP( mcrne   p15, 0, r8, c1, c0, 0)

        @
        @ Clear FP to mark the first stack frame
        @
        zero_fp

        .if     \trace
#ifdef CONFIG_IRQSOFF_TRACER
        bl      trace_hardirqs_off
#endif
        ct_user_exit save = 0
        .endif
        .endm

프로세스가 유저 모드에 있다가 exception에 의해 해당 모드(fiq, irq, pabt, dabt, und)에 진입한 경우 해야 할 일들을 다음과 같이 수행한다.

  • 스택에 18개의 레지스터를 보관할 수 있는 pt_regs 구조체 사이즈만큼 키운 후 레지스터들을 백업한다.
  • cr_alignment 값을 SCTLR에 저장한다.
  • 그 외 irq disable된 기간 및 컨텍스트  트래킹 등을 수행한다.

 

  • 코드 라인 14에서 스택을 pt_regs 구조체 사이즈만큼 키운다. (grows down)
    • S_FRAME_SIZE(72): 18개 레지스터를 담는 pt_regs 구조체 사이즈
      • S_R0(r0)~S_R10(r10), S_FP(r11), S_IP(r12), S_SP(r13), S_LR(r14), S_PC(r15), S_PSR(cpsr), S_OLD_R0(old r0) 순서
    • 커널 v.4.8.rc1에서 S_FRAME_SIZE -> PT_REGS_SIZE라는 이름으로 바뀐다.
  • 코드 라인 15에서 r1~r12 레지스터들의 정보를 pt_regs 구조체에 저장한다.
    • stmib (Store Memory Increment Before)를 사용하여 sp를 워드만큼 먼저 증가 시킨 후 레지스터들을 저장한다.
  • 코드 라인 18~19에서 SCTLR 값을 r7 레지스터에 읽어오고 cr_alignment 값을 가리키는 주소를 r8 레지스터에 대입한다.
    • ATRAP() 매크로는 CONFIG_ALIGNMENT_TRAP 커널 옵션이 사용되는 아키텍처에서 사용된다. (대부분의 arm에 적용됨)
    • 잠시 후에 cr_alignment 값을 읽어서 SCTLR에 저장하려 한다.
  • 코드 라인 21에서 r0 레지스터가 가리키는 주소의 값들을 r3~r5 레지스터로 로드한다.
    • 이 매크로 진입 전에 r0, lr, spsr 레지스터를 스택에 백업하였고 r0 레지스터는 그 스택을 가리키고 있다.
  • 코드 라인 22에서 스택에 저장된 pc 주소 값를 r0에 대입한다.
  • 코드 라인 23에서 r6에 -1 값을 대입한다.
  • 코드 라인 25에서 r3(old r0) 레지스터 값을 pt_regs의 가장 첫 엔트리(r0)에 저장한다.
  • 코드 라인 28에서 cr_alignment 값을 읽어서 r8 레지스터에 저장한다.
  • 코드 라인 39에서 교정된 lr 값, spsr 값, -1 값을 pt_regs 구조체의 pc 부터 끝까지 3 개를 순서대로 저장한다.
  • 코드 라인 40에서 sp와 lr 값을 pt_regs 구조체의 sp와 lr 위치에 그대로 저장한다.
  • 코드 라인 44~45에서 SCTLR 값을 읽은 r7 레지스터와 cr_alignment 값을 읽은 r8 레지스터 값을 비교해서 다른 경우에만 cr_alignment 값을 SCTLR에 저장한다.
    • SCTLR을 저장하는데 약 100 사이클 정도의 시간이 걸리므로 성능을 위해 변경 사항이 있는 경우에만 저장한다.
  • 코드 라인 50에서 fp 레지스터를 0으로 설정하여 커널 문제 발생 시 다양한 보고를 할 수  있게 준비한다.
  • 코드 라인 52~55에서 CONFIG_IRQSOFF_TRACER 커널 옵션이 사용되는 경우  얼마나 오랫동안 인터럽트가 disable 되었는지 그 주기를 알아보기 위한 트래킹 디버깅을 수행한다.
  • 코드 라인 56에서 컨텍스트 트래킹 디버깅이 enable된 경우에 수행된다.

 

다음 그림은 유저 모드에서 exception에 의해 해당 모드에 진입 시 레지스터들을 백업하는 usr_entry 매크로의 기능을 보여준다.

zero_fp 매크로

arch/arm/kernel/entry-header.S

        .macro  zero_fp
#ifdef CONFIG_FRAME_POINTER
        mov     fp, #0
#endif
        .endm

CONFIG_FRAME_POINTER 커널 옵션을 사용하는 경우 커널에서 문제가 발생했을 때 다양한 보고가 가능하도록 한다. 이 커널 옵션을 사용하지 않으면 보고되는 정보가 심각하게 제한된다.

 

trace_hardirqs_off()

kernel/trace/trace_irqsoff.c

void trace_hardirqs_off(void)
{
        if (!preempt_trace() && irq_trace())
                start_critical_timing(CALLER_ADDR0, CALLER_ADDR1);
}
EXPORT_SYMBOL(trace_hardirqs_off);

얼마나 오랫동안 인터럽트가 disable 되었는지 그 주기를 알아보기 위한 트래킹 디버깅을 수행한다.

 

ct_user_exit 매크로

arch/arm/kernel/entry-header.S

/*
 * Context tracking subsystem.  Used to instrument transitions
 * between user and kernel mode.
 */     
        .macro ct_user_exit, save = 1
#ifdef CONFIG_CONTEXT_TRACKING
        .if     \save
        stmdb   sp!, {r0-r3, ip, lr}
        bl      context_tracking_user_exit
        ldmia   sp!, {r0-r3, ip, lr}
        .else
        bl      context_tracking_user_exit
        .endif
#endif  
        .endm

CONFIG_CONTEXT_TRACKING 커널 옵션을 사용하면서 전역 static key 변수 context_tracking_enabled이 설정된 경우 컨텍스트 트래킹에 관련한  후처리 디버그 활동을 수행한다.

 

SVC 모드에서 진입 시 레지스터 백업

svc_entry

arch/arm/kernel/entry-armv.S

/*
 * SVC mode handlers
 */

#if defined(CONFIG_AEABI) && (__LINUX_ARM_ARCH__ >= 5)
#define SPFIX(code...) code
#else
#define SPFIX(code...)
#endif

        .macro  svc_entry, stack_hole=0, trace=1
 UNWIND(.fnstart                )
 UNWIND(.save {r0 - pc}         )
        sub     sp, sp, #(S_FRAME_SIZE + \stack_hole - 4)
#ifdef CONFIG_THUMB2_KERNEL
 SPFIX( str     r0, [sp]        )       @ temporarily saved
 SPFIX( mov     r0, sp          )
 SPFIX( tst     r0, #4          )       @ test original stack alignment
 SPFIX( ldr     r0, [sp]        )       @ restored
#else
 SPFIX( tst     sp, #4          )
#endif
 SPFIX( subeq   sp, sp, #4      )
        stmia   sp, {r1 - r12}

        ldmia   r0, {r3 - r5}
        add     r7, sp, #S_SP - 4       @ here for interlock avoidance
        mov     r6, #-1                 @  ""  ""      ""       ""
        add     r2, sp, #(S_FRAME_SIZE + \stack_hole - 4)
 SPFIX( addeq   r2, r2, #4      )
        str     r3, [sp, #-4]!          @ save the "real" r0 copied
                                        @ from the exception stack

        mov     r3, lr

        @
        @ We are now ready to fill in the remaining blanks on the stack:
        @
        @  r2 - sp_svc
        @  r3 - lr_svc
        @  r4 - lr_<exception>, already fixed up for correct return/restart
        @  r5 - spsr_<exception>
        @  r6 - orig_r0 (see pt_regs definition in ptrace.h)
        @
        stmia   r7, {r2 - r6}

        .if \trace
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
        bl      trace_hardirqs_off
#endif
        .endif
        .endm

프로세스가 svc 모드에 있다가 exception에 의해 진입한 경우 해야 할 일들을 다음과 같이 수행한다.

  • 스택에 18개의 레지스터를 보관할 수 있는 pt_regs 구조체 사이즈만큼 키운 후 레지스터들을 백업한다.
  • 그 외 irq disable된 기간 및 컨텍스트  트래킹 등을 수행한다.

 

  • 코드 라인 14에서 스택을 pt_regs 구조체 크기 + stack_hole – 4 만큼  확보한다.
    • stack_hole을 추가하는 이유
      • __und_svc() 레이블에서만 사용되는데 CONFIG_KPROBES 커널 옵션을 사용하고 kprobe를 이용하여 디버깅을 할 때 “stmdb sp!, {…}” 등의 문장에서 single step으로 디버깅을 하면 스택이 깨지는 문제가 발생하여 그러한 경우를 피하고자 64바이트(멀티 store 명령으로 최대 16개 레지스터를 저장할 수 있는 공간 크기)의 hole을 더 준비하였다.
      • 참고: ARM kprobes: don’t let a single-stepped stmdb corrupt the exception stack
    • -4를 하는 이유
      • r0를 제외한 스택 주소가 아래에서 설명하는 ARABI 규격으로 인해 정렬되어야 한다. 그 후 루틴의 마지막 즈음에서 정상적으로 스택을 4바이트 더 증가시킨다.
  • 코드 라인 21~23에서 AEABI(ARM Embedded Application Binary Interface) 규격에 맞게 스택을 사용 시 64비트(8 바이트) 정렬을 해야 한다. 따라서 기존 규격에서와 같이 32비트로만 정렬시켜 사용하는 경우 64비트 정렬을 하게 한다.
  • 코드 라인 24에서 r1에서 r12까지 레지스터를 모두 스택에 확보된 pt_regs에서 r1 위치부터 저장한다.
  • 코드 라인 26에서 기존 루틴에서 스택에 저장해 놓은 old r0, 교정된 lr, spsr 값을 r3~r5 레지스터에 읽어 온다.
  • 코드 라인 27에서 r7 레지스터가 pt_regs의 sp 주소를 가리키게 한다.
  • 코드 라인 28에서 r6 레지스터에 -1을 대입한다.
  • 코드 라인 29~30에서 r2 레지스터가 stack_hole을 가리키게 한다. 만일 sp가 64비트 정렬을 한 경우라면 stack_hole 위치도 4 바이트만큼 위로 올린다. (stack_hole이 4바이트 커진다.)
  • 코드 라인 31에서 old r0를 읽어온 r3 레지스터의 내용을 pt_regs의 r0 주소에 저장한다. sp 주소는 4바이트 주소를 밑으로 이동시켜 정상적으로 sp가 pt_regs의 처음을 가리키게 한다.
  • 코드 라인 34~45에서 r3 레지스터에 lr_svc를 대입하고 sp_svc, lr_svc, lr_<exception>, spsr_<exception>, original r0 값이 담긴 r2~r6 레지스터 값을 pt_regs의 sp 주소부터 저장한다.
  • 코드 라인 47~50에서  CONFIG_TRACE_IRQFLAGS 커널 옵션이 사용되는 경우  얼마나 오랫동안 인터럽트가 disable 되었는지 그 주기를 알아보기 위한 트래킹 디버깅을 수행한다.

 

 

다음 그림과 같이 커널이 v4.9-rc1으로 버전업되면서 svc 모드에서 진입된 레지스터들을 백업하는데 기존 pt_regs를 사용하지 않고 svc_pt_regs를 사용한다.

레지스터 복구하고 서비스 모드로 복귀

svc_exit 매크로

arch/arm/kernel/entry-header.S

        .macro  svc_exit, rpsr, irq = 0
        .if     \irq != 0
        @ IRQs already off
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
        @ The parent context IRQs must have been enabled to get here in
        @ the first place, so there's no point checking the PSR I bit.
        bl      trace_hardirqs_on
#endif
        .else   
        @ IRQs off again before pulling preserved data off the stack
        disable_irq_notrace
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
        tst     \rpsr, #PSR_I_BIT
        bleq    trace_hardirqs_on
        tst     \rpsr, #PSR_I_BIT
        blne    trace_hardirqs_off
#endif
        .endif  
        msr     spsr_cxsf, \rpsr
#if defined(CONFIG_CPU_V6) || defined(CONFIG_CPU_32v6K)
        @ We must avoid clrex due to Cortex-A15 erratum #830321
        sub     r0, sp, #4                      @ uninhabited address
        strex   r1, r2, [r0]                    @ clear the exclusive monitor
#endif
        ldmia   sp, {r0 - pc}^                  @ load r0 - pc, cpsr
        .endm

exception 전의 svc 모드로 다시 복귀하기 위해 백업해두었던 레지스터들을 복구한다.

  • 코드 라인 2~8에서 irq=1로 설정되는 경우 fiq에 대한 latency 트래킹을 수행한다.
  • 코드 라인 9~18에서 irq=0으로 설정되는 경우 현재 cpu에 대해 irq를 mask하여 인터럽트가 진입하지 못하게 한다.
    • disable_irq_notrace 매크로에서 “cpsid   i”  명령을 수행한다.
  • 코드 라인 19에서 spsr에 \rpsr을 대입한다.
  • 코드 라인 20~24에서 clrex에 해당하는 코드를 수행한다. (erratum for Cortex-A15)
  • 코드 라인 25에서 스택으로부터 r0~pc까지 레지스터를 복구한다.
    • pc 위치에 이미 correction된 lr을 백업했었다.

 

허용하지 않은 모드에서 진입 시 레지스터 백업

inv_entry

arch/arm/kernel/entry-armv.S

/*
 * Invalid mode handlers
 */
        .macro  inv_entry, reason
        sub     sp, sp, #S_FRAME_SIZE
 ARM(   stmib   sp, {r1 - lr}           )
 THUMB( stmia   sp, {r0 - r12}          )
 THUMB( str     sp, [sp, #S_SP]         )
 THUMB( str     lr, [sp, #S_LR]         )
        mov     r1, #\reason
        .endm

스택에 레지스터들을 백업하기 위한 공간(struct pt_regs)을 확보하고  r1~r14(lr)까지 백업해둔다. r1 레지스터에는 reason 값을 대입한다.

  • pt_regs에 백업되지 않은 나머지 레지스터들은 common_invalid 레이블에서 백업을 계속 진행한다.

 

common_invalid

arch/arm/kernel/entry-armv.S

@
@ common_invalid - generic code for failed exception (re-entrant version of handlers)
@
common_invalid:
        zero_fp

        ldmia   r0, {r4 - r6}
        add     r0, sp, #S_PC           @ here for interlock avoidance
        mov     r7, #-1                 @  ""   ""    ""        ""
        str     r4, [sp]                @ save preserved r0
        stmia   r0, {r5 - r7}           @ lr_<exception>,
                                        @ cpsr_<exception>, "old_r0"

        mov     r0, sp
        b       bad_mode
ENDPROC(__und_invalid)

각 exception 핸들러들에서 허용하지 않은 모드에서 진입하여 실패처리를 위한 루틴이다.

  • 코드 라인 5에서 fp 레지스터에 0을 대입한다.
  • 코드 라인 7에서 스택에 백업해두었던 old r0, 교정된 lr, spsr 값을 r4~r6 레지스터로 읽어온다.
  • 코드 라인 8에서 스택에 백업해두었던 pt_regs 구조체 영역에서 pc 주소를 r0에 대입한다.
  • 코드 라인 9에서 r7에 -1을 대입한다.
  • 코드 라인 10에서 old r0 값을 읽어온 r4 레지스터 값을 pt_regs의 가장 첫 위치 r0에 저장한다.
  • 코드 라인 11에서 교정된 lr, spsr, -1 값을 담고 있는 r5~r7 레지스터 값을 스택의 pt_regs 위치 중 old r0, cpsr, r15(pc) 주소에 저장한다.
  • 코드 라인 14에서 스택 값을 r0에 대입한다.
  • 코드 라인 15에서 bad_mode 레이블로 이동하야 “Oops” 출력 및 panic() 처리한다.

 

bad_mode()

arch/arm/kernel/traps.c

/*
 * bad_mode handles the impossible case in the vectors.  If you see one of
 * these, then it's extremely serious, and could mean you have buggy hardware.
 * It never returns, and never tries to sync.  We hope that we can at least
 * dump out some state information...
 */
asmlinkage void bad_mode(struct pt_regs *regs, int reason)
{
        console_verbose();

        pr_crit("Bad mode in %s handler detected\n", handler[reason]);

        die("Oops - bad mode", regs, 0);
        local_irq_disable();
        panic("bad mode");
}

허용하지 않은 모드에서 진입 시 “Oops – bad mode”를 출력하고 panic 처리 한다.

 

kuser_cmpxchg_check

arch/arm/kernel/entry-armv.S

        .macro  kuser_cmpxchg_check
#if !defined(CONFIG_CPU_32v6K) && defined(CONFIG_KUSER_HELPERS) && \
    !defined(CONFIG_NEEDS_SYSCALL_FOR_CMPXCHG)
#ifndef CONFIG_MMU
#warning "NPTL on non MMU needs fixing"
#else
        @ Make sure our user space atomic helper is restarted
        @ if it was interrupted in a critical region.  Here we
        @ perform a quick test inline since it should be false
        @ 99.9999% of the time.  The rest is done out of line.
        cmp     r4, #TASK_SIZE
        blhs    kuser_cmpxchg64_fixup
#endif
#endif
        .endm

Kernel-provided User Helper code 중 시스템이 POSIX syscall을 이용하여 cmpxchg를 이용하는 방식인 경우 커널 space에서 exception되어 이 루틴에 진입하게 되면 kuser_cmpchg64_fixup을 수행하고 온다.

  • r4에는 exception 처리 후 되돌아갈 주소(lr)이 담겨 있기 때문에 이 값을 TASK_SIZE와 비교하여 user space에서 진입하였는지 아니면 kernel space에서 진입하였는지 구분할 수 있다.
  • 참고: Kernel-provided User Helper | 문c

 

get_thread_info 매크로

include/asm/assembler.h

/*
 * Get current thread_info.
 */
        .macro  get_thread_info, rd
 ARM(   mov     \rd, sp, lsr #THREAD_SIZE_ORDER + PAGE_SHIFT    )
 THUMB( mov     \rd, sp                 )
 THUMB( lsr     \rd, \rd, #THREAD_SIZE_ORDER + PAGE_SHIFT       )
        mov     \rd, \rd, lsl #THREAD_SIZE_ORDER + PAGE_SHIFT
        .endm

현재 프로세스의 스택 하위에 위치한 thread_info 객체의 주소를 인수 rd에 반환한다.

 

IRQ 핸들러

__irq_usr

arch/arm/kernel/entry-armv.S

        .align  5
__irq_usr:
        usr_entry
        kuser_cmpxchg_check
        irq_handler
        get_thread_info tsk
        mov     why, #0
        b       ret_to_user_from_irq
 UNWIND(.fnend          )
ENDPROC(__irq_usr)

user 모드에서 irq exception을 만나 진입하게 되면 관련 인터럽트 번호에 등록되어 있는 1개 이상의 ISR(Interrupt Service Routing)을 호출한다.

  • 코드 라인 3에서 전체 레지스터를 스택에 백업한다.
  • 코드 라인 4에서 atomic 연산을 지원하지 못하는 아키텍처에서 atomic 하게 처리해야 하는 구간에서 인터럽트를 맞이하고 복귀할 때 그 atomic operation 구간의 시작부분으로 다시 돌아가도록 pt_regs의 pc를 조작한다.
  • 코드 라인 5에서 관련 인터럽트 번호에 등록되어 있는 1개 이상의 ISR(Interrupt Service Routing)을 호출한다
  • 코드 라인 6에서 tsk 레지스터에 thread_info 객체의 주소를 알아온다.
  • 코드 라인 7~8에서  스택에 백업해둔 레지스터들을 다시 불러 읽은 후 user 모드로 복귀한다.

 

__irq_svc

arch/arm/kernel/entry-armv.S

        .align  5
__irq_svc:
        svc_entry
        irq_handler

#ifdef CONFIG_PREEMPT
        get_thread_info tsk
        ldr     r8, [tsk, #TI_PREEMPT]          @ get preempt count
        ldr     r0, [tsk, #TI_FLAGS]            @ get flags
        teq     r8, #0                          @ if preempt count != 0
        movne   r0, #0                          @ force flags to 0
        tst     r0, #_TIF_NEED_RESCHED
        blne    svc_preempt
#endif

        svc_exit r5, irq = 1                    @ return from exception
 UNWIND(.fnend          )
ENDPROC(__irq_svc)

SVC 모드에서 irq exceptin을 만나 진입하게 되면 관련 인터럽트 번호에 등록되어 있는 1개 이상의 처리 핸들러를 호출한다.

  • 코드 라인 3에서 스택에 18개의 레지스터를 보관할 수 있는 pt_regs(svc_pt_regs) 구조체 사이즈만큼 키운 후 레지스터들을 백업한다.
  • 코드 라인 4에서 관련 인터럽트 번호에 등록되어 있는 1개 이상의 ISR(Interrupt Service Routing)을 호출한다
  • 코드 라인 6~14에서 preempt 커널에서 현재 프로세스 컨텍스트가 preempt 허용(preempt 카운트가 0) 상태인 경우에 한해 리스케쥴(_TIF_NEED_RESCHED) 요청이 있는 경우 리스케쥴을 위해 svc_preempt 레이블로 이동한다.
    • thread_info->preempt가 0인 경우 preempt 가능한 상태이다.
    • flags에 _TIF_NEED_RESCHED 설정된 경우 리스케쥴 요청이 들어온 경우이다.
  • 코드 라인 16에서 스택에 백업해둔 레지스터들을 다시 불러 읽은 후 svc 모드로 복귀한다.

 

svc_preempt 레이블

arch/arm/kernel/entry-armv.S

#ifdef CONFIG_PREEMPT
svc_preempt:
        mov     r8, lr
1:      bl      preempt_schedule_irq            @ irq en/disable is done inside
        ldr     r0, [tsk, #TI_FLAGS]            @ get new tasks TI_FLAGS
        tst     r0, #_TIF_NEED_RESCHED
        reteq   r8                              @ go again
        b       1b
#endif

더 이상의 리스케쥴 요청이 없을 때까지 preemption 리스케쥴을 수행한다.

  • 코드 라인 3에서 r8 레지스터에 복귀할 주소를 담고 있는 lr 레지스터를 백업해둔다.
  • 코드 라인 4에서 현 태스크의 preemption을 포함한 리스케쥴을 수행한다.
    • 리스케쥴되어 현재 태스크보다 더 우선 순위 높은 태스크가 실행되는 경우 현재의 태스크는 잠든다. 그 후 깨어난 후 계속 진행한다.
  • 코드 라인 5~8에서 현재 프로세서 컨텍스트에 리스케쥴 요청이 있으면 다시 1: 레이블로 이동하여 계속 처리하고, 리스케쥴 요청이 없으면 루틴을 끝마치고 복귀한다.

 

irq_handler 매크로

arch/arm/kernel/entry-armv.S

/*
 * Interrupt handling.
 */
        .macro  irq_handler
#ifdef CONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER
        ldr     r1, =handle_arch_irq
        mov     r0, sp
        adr     lr, BSYM(9997f)
        ldr     pc, [r1]
#else
        arch_irq_handler_default
#endif
9997:
        .endm

아키텍처에 따른 irq 핸들러를 호출한다.

  • CONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER 커널 옵션을 사용 여부에 따라
    • 설정한 경우 커널이 여러 개의 머신에 해당하는 IRQ 핸들러 함수를 같이 컴파일하고 실제 커널 부팅 시 IRQ 관련하여 선택한 호출 함수를 handle_arch_irq에 저장하여야 한다.
    • 설정하지 않은 경우 현재 커널이 IRQ 처리 방식을 고정한 경우로 컴파일 시 결정된 arch_irq_handler_default 매크로를 호출한다.

 

arch_irq_handler_default 매크로(for RPI2)

mach-bcm2709/include/mach/entry-macro.S

/*
 * Interrupt handling.  Preserves r7, r8, r9
 */
        .macro  arch_irq_handler_default
1:      get_irqnr_and_base r0, r2, r6, lr
        .endm

 

get_irqnr_and_base 매크로(for RPI2)

 

IPI(Inter Process Interrupt) 처리

mach-bcm2709/include/mach/entry-macro.S

        .macro  get_irqnr_and_base, irqnr, irqstat, base, tmp

        /* get core number */
        mrc     p15, 0, \base, c0, c0, 5
        ubfx    \base, \base, #0, #2

        /* get core's local interrupt controller */
        ldr     \irqstat, = __io_address(ARM_LOCAL_IRQ_PENDING0)        @ local interrupt source
        add     \irqstat, \irqstat, \base, lsl #2
        ldr     \tmp, [\irqstat]
#ifdef CONFIG_SMP
        /* test for mailbox0 (IPI) interrupt */
        tst     \tmp, #0x10
        beq     1030f

        /* get core's mailbox interrupt control */
        ldr     \irqstat, = __io_address(ARM_LOCAL_MAILBOX0_CLR0)       @ mbox_clr
        add     \irqstat, \irqstat, \base, lsl #4
        ldr     \tmp, [\irqstat]
        clz     \tmp, \tmp
        rsb     \irqnr, \tmp, #31
        mov     \tmp, #1
        lsl     \tmp, \irqnr
        str     \tmp, [\irqstat]  @ clear interrupt source
        dsb
        mov     r1, sp
        adr     lr, BSYM(1b)
        b       do_IPI
#endif

 

pending 레지스터를 읽어 IPI 처리 요청이 있는 경우 mailbox0를 읽어 인터럽트 소스를 알아와서 모든 설정된 IPI 처리를 한다. 처리 순서는 높은 번호부터 처리한다. (irqnr=r0, irqstat=r2, base=r6, tmp=lr)

  • 코드 라인 4~10에서 cpu 번호를 구한 후 그 cpu에 해당하는 pending 레지스터 값을 읽어와서 \tmp에 대입한다.
    • 예) cpu #3에 대한 레지스터 가상 주소: ARM_LOCAL_IRQ_PENDING0(0xf400_0060) + cpu(3) * 4 = 0xf400_006c
  • 코드 라인 13~14에서 IPI(mailbox0) 인터럽트 요청이 아닌 경우 1030 레이블로 이동한다.
    • pending 레지스터의 0x10 비트: mailbox0
  • 코드 라인 17~19에서 cpu에 해당하는 mailbox0 값을 읽어와서 \tmp에 대입한다.
  • 코드 라인 20~21에서 가장 좌측에 설정된 인터럽트 비트를 \irqnr에 대입한다. (IPI는 역순으로 우선 처리된다.)
  • 코드 라인 22~24에서 클리어하고자 하는 IPI 인터럽트 비트만 설정하여 읽어왔던 mailbox0에 저장한다.
    • clz: 좌측부터 0으로 시작하는 비트 수
    • mailbox는 str 명령을 통하여 값이 저장되는 것이 아니라 값에 해당하는 인터럽트 소스들을 클리어 한다.
  • 코드 라인 26~28에서 두 번째 인수 r1에 스택에 있는 pt_regs를 대입하고, 복귀 주소로 arch_irq_handler_default 매크로 안에 있는 get_irqnr_and_base 호출 위치를 설정한 다음 IPI 처리를 위해 do_IPI() 함수를 호출한다.
    • IPI 처리가 다 완료될 때 까지 루프를 돈다.
    • 참고: do_IPI() | 문c

 

ARM(GPU) 및 ARM 인터럽트 처리
1030:
        /* check gpu interrupt */
        tst     \tmp, #0x100
        beq     1040f

        ldr     \base, =IO_ADDRESS(ARMCTRL_IC_BASE)
        /* get masked status */
        ldr     \irqstat, [\base, #(ARM_IRQ_PEND0 - ARMCTRL_IC_BASE)]
        mov     \irqnr, #(ARM_IRQ0_BASE + 31)
        and     \tmp, \irqstat, #0x300           @ save bits 8 and 9
        /* clear bits 8 and 9, and test */
        bics    \irqstat, \irqstat, #0x300
        bne     1010f

        tst     \tmp, #0x100
        ldrne   \irqstat, [\base, #(ARM_IRQ_PEND1 - ARMCTRL_IC_BASE)]
        movne   \irqnr, #(ARM_IRQ1_BASE + 31)
        @ Mask out the interrupts also present in PEND0 - see SW-5809
        bicne   \irqstat, #((1<<7) | (1<<9) | (1<<10))
        bicne   \irqstat, #((1<<18) | (1<<19))
        bne     1010f

        tst     \tmp, #0x200
        ldrne   \irqstat, [\base, #(ARM_IRQ_PEND2 - ARMCTRL_IC_BASE)]
        movne   \irqnr, #(ARM_IRQ2_BASE + 31)
        @ Mask out the interrupts also present in PEND0 - see SW-5809
        bicne   \irqstat, #((1<<21) | (1<<22) | (1<<23) | (1<<24) | (1<<25))
        bicne   \irqstat, #((1<<30))
        beq     1020f
1010:
        @ For non-zero x, LSB(x) = 31 - CLZ(x^(x-1))
        sub     \tmp, \irqstat, #1
        eor     \irqstat, \irqstat, \tmp
        clz     \tmp, \irqstat
        sub     \irqnr, \tmp
        b       1050f

 

pending #0 레지스터를 읽어 ARM(GPU) #1, ARM(GPU)#2, ARM #0 인터럽트 순서대로 발생한 인터럽트 소스의 ISR을 수행한다.

  • 예) ARM(GPU) #1에 배치된 arm dma #0 인터럽트가 요청된 경우
    • pending 0 레지스터 값=0x100, pending 1 레지스터 값=0x1_0000 (bit16), 최종 인터럽트 번호 \irqnr=16
  • 예) ARM(GPU) #2에 배치한 arm gpio 인터럽트가 요청된 경우
    • pending 0 레지스터 값=0x200, pending 2 레지스터 값=0x10_0000 (bit20), 최종 인터럽트 번호 \irqnr=52
  • 예) ARM #0에 배치한 arm uart 인터럽트가 요청된 경우
    • pending 0 레지스터 값=0x8_0000 (bit19), 최종 인터럽트 번호 \irqnr=83

 

  • 코드 라인 3~4에서 ARM(GPU) 인터럽트 처리 요청이 없으면 1040 레이블로 이동한다.
  • 코드 라인 6~8에서 pending #0 레지스터 값을 읽어 /irqstat에 저장한다.
    • ARM 인터럽트 컨트롤러 가상 주소를 구해 \base에 저장한다.
      • =IO_ADDRESS(0x3f00_0000(기본 주소) + 0xb000(peri offset) + 0x200(인터럽트 컨트롤러 offset) = 0xf300_b200
  • 코드 라인 9에서 ARM #0이 담당하는 IRQ 끝 번호 값(95)을 \irqnr에 대입한다.
  • 코드 라인 10~13에서 pending #0 레지스터에서 읽었던 /irqstat에서 ARM #1(GPU #1) 또는 ARM #2(GPU #2)에 해당하는 비트를 클리어한다. 클리어 전에도 설정된 적 없으면 ARM #0 인터럽트를 처리하기 위해 1010 레이블로 이동한다.
  • 코드 라인 15~21에서 ARM #1(GPU #1)에 해당하는 경우 pending #1 레지스터 값을 읽어 /irqstat에 저장하되 VideoCore에서 사용하는 인터럽트에 해당하는 7, 9, 10, 18, 19번 비트들을 제거한다. IRQ #1(GPU #1)의 인터럽트 끝 번호(31)를 \irqnr에 대입한 후 해당 인터럽트 수행을 위해 1010 레이블로 이동한다.
  • 코드 라인 23~29에서 ARM #2(GPU #2)에 해당하는 경우 pending #2 레지스터 값을 읽어 /irqstat에 저장하되 VideoCore에서 사용하는 인터럽트에 해당하는21~25, 30번 비트들을 제거한다. IRQ #2(GPU #2)의 인터럽트 끝 번호(63)를 \irqnr에 대입하고 해당 인터럽트 수행을 위해 계속 아래 1010 레이블로 진행한다.
  • 코드 라인 32~36에서 처리할 인터럽트 끝 번호(irq0=95, irq1=31, ir12=63, local irq=127)에서 \irqstat의 첫 인터럽트 비트에 해당하는 번호를 뺀 후 해당 인터럽트 수행을 위해 1050 레이블로 이동한다.

 

Local Interrupt 처리
1040:
        cmp     \tmp, #0
        beq     1020f

        /* handle local (e.g. timer) interrupts */
        @ For non-zero x, LSB(x) = 31 - CLZ(x^(x-1))
        mov     \irqnr, #(ARM_IRQ_LOCAL_BASE + 31)
        sub     \irqstat, \tmp, #1
        eor     \irqstat, \irqstat, \tmp
        clz     \tmp, \irqstat
        sub     \irqnr, \tmp
1050:
        mov     r1, sp
        @
        @ routine called with r0 = irq number, r1 = struct pt_regs *
        @
        adr     lr, BSYM(1b)
        b       asm_do_IRQ

1020:   @ EQ will be set if no irqs pending
        .endm

local ARM 인터럽트 처리요청이 있는 경우 발생한 인터럽트 소스의 ISR을 수행한다.

  • 예) Local ARM 인터럽트에 배치한 arm timer 인터럽트가 요청된 경우
    • local interrupt controller 레지스터 값=0x8, 최종 인터럽트 번호 \irqnr=99

 

  • 코드 라인 2~3에서 pending 레지스터 값이 0인 경우 더이상 처리할 인터럽트가 없으므로 종료한다.
  • 코드 라인 7~11에서 Local ARM이 처리하는 끝 번호(127) 값을 \irqnr에 대입한다.  끝 번호(127)에서 /tmp 인터럽트 비트들 중 가장 마지막 비트에 해당하는 번호를  뺀다
  • 코드 라인 13~18에서 r1 레지스터에 pt_regs 주소를 대입하고, lr에 이 매크로(get_irqnr_and_base)를 호출하는 곳을 담고 ISR을 호출한다.

 

 

ret_to_user_from_irq 및 no_work_pending 레이블

arch/arm/kernel/entry-common.S

ENTRY(ret_to_user_from_irq)
        ldr     r1, [tsk, #TI_FLAGS]
        tst     r1, #_TIF_WORK_MASK
        bne     work_pending
no_work_pending:
        asm_trace_hardirqs_on

        /* perform architecture specific actions before user return */
        arch_ret_to_user r1, lr
        ct_user_enter save = 0

        restore_user_regs fast = 0, offset = 0
ENDPROC(ret_to_user_from_irq)

irq 처리를 마치고 복귀하기 전에 pending된 작업이 있으면 수행한 후 백업해 두었던 레지스터들을 다시 읽어 들인 후 복귀한다.

  • 코드 라인 2~4에서 thread_info->flags를 검사하여 _TIF_WORK_MASK에 속한 플래그가 있는 경우 work_pending 레이블로 이동한다.
    • _TIF_WORK_MASK
      • _TIF_NEED_RESCHED | _TIF_SIGPENDING | _TIF_NOTIFY_RESUME | _TIF_UPROBE
  • 코드 라인 9에서 user process로 다시 복귀 전에 처리할 아키텍처 specific한 일이 있는 경우 수행한다.
    • rpi2: 없음
  • 코드 라인 10에서 CONFIG_CONTEXT_TRACKING 커널 옵션을 사용한 context 트래킹 디버그가 필요한 경우 수행한다.
  • 코드 라인 12에서 백업해 두었던 레지스터들을 읽어들이며 다시 user space로 복귀한다.

 

지연 작업 처리

fast_work_pending 및 work_pending 레이블

arch/arm/kernel/entry-common.S

/*
 * Ok, we need to do extra processing, enter the slow path.
 */
fast_work_pending:
        str     r0, [sp, #S_R0+S_OFF]!          @ returned r0
work_pending:
        mov     r0, sp                          @ 'regs'
        mov     r2, why                         @ 'syscall'
        bl      do_work_pending
        cmp     r0, #0
        beq     no_work_pending
        movlt   scno, #(__NR_restart_syscall - __NR_SYSCALL_BASE)
        ldmia   sp, {r0 - r6}                   @ have to reload r0 - r6
        b       local_restart                   @ ... and off we go

지연된 작업이 있는 경우 완료 시킨 후 no_work_pending 레이블로 이동하는데 pending 시그널을 처리하다 restart 에러가 발생한 경우 local_restart 레이블로 이동한다.

  • 코드 라인 5에서 sp를 레지스터들을 백업해 두었던 pt_regs의 r0에 S_OFF(8)을 더한 위치로 변경하고 r0를 그 위치에 저장한다.
    • syscall 호출 시 5 번째 인수와 6 번째 인수를 스택에 저장한다.
  • 코드 라인 7~9에서 do_work_pending() 함수를 호출하여 지연된 작업들을 처리한다.
    • 첫 번째 인수에 pt_regs 위치를 대입한다.
    • 두 번째 인수는 플래그가 저장되어 있다.
    • 세 번째 인수는 syscall 테이블 index를 대입한다.
  • 코드 라인 10~11에서 지연된 작업이 없었던 경우라면 no_work_pending 레이블로 이동한다.
  • 코드 라인 12에서 결과가 음수인 경우 scno에 sys_restart_syscall() 함수를 처리하기 위한 syscall 인덱스 번호를 대입한다.
    • EABI(Embedded Application Binary Interface)를 사용하는 경우 0x0 – 0x0을 적용하여 0이된다.
    • OABI(Old Application Binary Interface)를 사용하는 경우 0x90000 – 0x90000을 적용하여 0이된다.
  • 코드 라인 13~14에서 스택으로부터 r0~r6 레지스터에 로드한 후 local_restart 레이블로 이동한다.

 

do_work_pending()

arch/arm/kernel/signal.c

asmlinkage int
do_work_pending(struct pt_regs *regs, unsigned int thread_flags, int syscall)
{
        do {
                if (likely(thread_flags & _TIF_NEED_RESCHED)) {
                        schedule();
                } else {
                        if (unlikely(!user_mode(regs)))
                                return 0;
                        local_irq_enable();     
                        if (thread_flags & _TIF_SIGPENDING) {
                                int restart = do_signal(regs, syscall);
                                if (unlikely(restart)) {
                                        /*
                                         * Restart without handlers.
                                         * Deal with it without leaving
                                         * the kernel space.
                                         */
                                        return restart;
                                }
                                syscall = 0;
                        } else if (thread_flags & _TIF_UPROBE) {
                                uprobe_notify_resume(regs);
                        } else {
                                clear_thread_flag(TIF_NOTIFY_RESUME);
                                tracehook_notify_resume(regs);
                        }
                }
                local_irq_disable();
                thread_flags = current_thread_info()->flags;
        } while (thread_flags & _TIF_WORK_MASK);
        return 0;
}

지연된 작업이 있는 경우 완료될 때까지 처리한다. 정상 처리되면 0을 반환하는데 만일 pending 시그널을 처리하다 에러가 발생한 경우 restart 값을 반환한다.

  • 코드 라인 5~6에서 현재 태스크의 플래그들 중 리스케쥴 요청(_TIF_NEED_RESCHED 플래그)이 있는 경우 리스케쥴한다.
  • 코드 라인 8~9에서 유저 모드 진입이 아닌 경우 그냥 빠져나간다.
  • 코드 라인 11~21에서 pending 시그널(_TIF_SIGPENDING 플래그) 이 있는 경우 시그널을 처리한다. 만일 restart 응답을 받은 경우 restart 값으로 함수를 빠져나간다.
  • 코드 라인 22~23에서 uprobe break point가 hit(_TIF_UPROBE 플래그)되어 진입된 경우이었던 경우 resume 관련 처리를 수행한다.
  • 코드 라인 24~27에서 4개의 pending 관련 비트들 중 마지막 플래그 TIF_NOTIFY_RESUME를 클리어한다. 이 플래그는 user로 되돌아가기 전에 호출할 콜백함수들을 수행하게 한다.
    • task_work_add() 함수에서 인수 notify가 설정되어 요청한 경우 task->task_works 리스트에 추가된 콜백 함수들을 수행한다.
  • 코드 라인 30~31에서 현재 프로세서의 플래그에 pending 작업이 존재한다고 표시된 경우 계속 루프를 돈다.

 

restore_user_regs 매크로

arch/arm/kernel/entry-header.S

        .macro  restore_user_regs, fast = 0, offset = 0
        mov     r2, sp
        ldr     r1, [r2, #\offset + S_PSR]      @ get calling cpsr
        ldr     lr, [r2, #\offset + S_PC]!      @ get pc
        msr     spsr_cxsf, r1                   @ save in spsr_svc
#if defined(CONFIG_CPU_V6) || defined(CONFIG_CPU_32v6K)
        @ We must avoid clrex due to Cortex-A15 erratum #830321
        strex   r1, r2, [r2]                    @ clear the exclusive monitor
#endif
        .if     \fast
        ldmdb   r2, {r1 - lr}^                  @ get calling r1 - lr
        .else
        ldmdb   r2, {r0 - lr}^                  @ get calling r0 - lr
        .endif
        mov     r0, r0                          @ ARMv5T and earlier require a nop
                                                @ after ldm {}^
        add     sp, sp, #\offset + S_FRAME_SIZE
        movs    pc, lr                          @ return & move spsr_svc into cpsr
        .endm

백업해 두었던 레지스터들을 읽어들인 후 다시 user space로 복귀한다.

  • 코드 라인 2~5에서 스택에 백업해둔 pt_regs의 cpsr을 r1 레지스터를 통해 spsr 레지스터에 저장하고, pc 값을 lr 레지스터에 대입한다.
  • 코드 라인 6~9에서 Cortex-A15 아키텍처에서 strex를 사용하여 clrex를 대신하였다.
  • 코드 라인 10~14에서 fast 요청이 있는 경우 스택에 백업해 둔 pt_regs의 r1~lr 까지의 레지스터를 읽어오고 fast 요청이 아닌 경우 r0 레지스터를 포함해서 불러온다.
  • 코드 라인 15에서 ARMv5T 및 그 이전 arm 아키텍처에서 multiple load 명령을 사용 후 nop을 사용해야 한다.
  • 코드 라인 17~18에서 스택에서 pt_regs를 제외시킨 후 user space로 복귀한다.

 

preempt_schedule_irq()

kernel/sched/core.c

/*
 * this is the entry point to schedule() from kernel preemption
 * off of irq context.
 * Note, that this is called and return with irqs disabled. This will
 * protect us against recursive calling from irq.
 */
asmlinkage __visible void __sched preempt_schedule_irq(void)
{
        enum ctx_state prev_state;

        /* Catch callers which need to be fixed */
        BUG_ON(preempt_count() || !irqs_disabled());

        prev_state = exception_enter();

        do {
                __preempt_count_add(PREEMPT_ACTIVE);
                local_irq_enable();
                __schedule(); 
                local_irq_disable();
                __preempt_count_sub(PREEMPT_ACTIVE);

                /* 
                 * Check again in case we missed a preemption opportunity
                 * between schedule and now.
                 */ 
                barrier();
        } while (need_resched());

        exception_exit(prev_state);
}

리스케쥴 요청이 있는 동안 인터럽트는 허용하되 preemption은 허용되지 않게 한 후 스케쥴한다.

  • 코드 라인 14에서 리스케쥴 전에 context 트래킹 디버깅을 위한 선 처리 작업을 한다.
  • 코드 라인 17~21에서 인터럽트는 허용하되 preemption은 허용되지 active 구간을 증가시킨다. 않게 한 후 스케쥴한다. 완료 후 다시 인터럽트를 막고 preemption이 허용되도록 active 구간을 감소시킨다.
  • 코드 라인 28에서 리스케쥴 요청이 없을 때까지 반복한다.
  • 코드 라인 30에서리스케쥴이 완료되었으므로 context 트래킹 디버깅을 위한 후 처리 작업을 한다.

 

FIQ 핸들러

 

__fiq_usr

arch/arm/kernel/entry-armv.S

        .align  5
__fiq_usr:
        usr_entry trace=0
        kuser_cmpxchg_check
        mov     r0, sp                          @ struct pt_regs *regs
        bl      handle_fiq_as_nmi
        get_thread_info tsk
        restore_user_regs fast = 0, offset = 0
 UNWIND(.fnend          )
ENDPROC(__fiq_usr)

user 모드에서 fiq exception을 만나 진입하게 되면 해당 ISR(Interrupt Service Routing)을 수행한다. (ARM에서는 기본적으로 등록되어 있지 않다)

  • 코드 라인 3에서 전체 레지스터를 스택에 백업한다. 속도를 중시하므로 trace를 제한한다.
  • 코드 라인 4에서 atomic 연산을 지원하지 못하는 아키텍처에서 atomic 하게 처리해야 하는 구간에서 인터럽트를 맞이하고 복귀할 때 그 atomic operation 구간의 시작부분으로 다시 돌아가도록 pt_regs의 pc를 조작한다.
  • 코드 라인 5~6에서 fiq 관련 등록된 ISR을 수행한다. (ARM에서는 기본적으로 등록되어 있지 않다)
  • 코드 라인 7에서 tsk 레지스터에 thread_info 객체의 주소를 알아온다.
  • 코드 라인 8에서 스택에 백업해둔 레지스터들을 다시 불러 읽은 후 user 모드로 복귀한다.

 

handle_fiq_as_nmi()

arch/arm/kernel/traps.c

/*
 * Handle FIQ similarly to NMI on x86 systems.
 *
 * The runtime environment for NMIs is extremely restrictive
 * (NMIs can pre-empt critical sections meaning almost all locking is
 * forbidden) meaning this default FIQ handling must only be used in
 * circumstances where non-maskability improves robustness, such as
 * watchdog or debug logic.
 *
 * This handler is not appropriate for general purpose use in drivers
 * platform code and can be overrideen using set_fiq_handler.
 */
asmlinkage void __exception_irq_entry handle_fiq_as_nmi(struct pt_regs *regs)
{
        struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);

        nmi_enter();

        /* nop. FIQ handlers for special arch/arm features can be added here. */
 
        nmi_exit();

        set_irq_regs(old_regs);
}

rpi2에서는 hard irq 처리를 위한 루틴이 비어있다. 필요한 경우 임베디드 개발자가 추가하게 되어 있다.

 

nmi_enter()

include/linux/hardirq.h

#define nmi_enter()                                             \
        do {                                                    \
                lockdep_off();                                  \
                ftrace_nmi_enter();                             \
                BUG_ON(in_nmi());                               \
                preempt_count_add(NMI_OFFSET + HARDIRQ_OFFSET); \
                rcu_nmi_enter();                                \
                trace_hardirq_enter();                          \
        } while (0)

nmi 처리 시작 진입점에서 preempt count를 증가시켜 preemption되지 않도록 하고 nmi가 진행 중임을 rcu가 알 수 있도록 한다.

  • 코드 라인 6에서 nmi 및 hard irq에 대한 preempt 카운터를 증가시킨다. (nmi도 nest 가능하다)
  • 코드 라인 7에서 nmi 처리 중인 것을 RCU도 알아야하기 때문에 &rcu_dynticks->dynticks를 1로 설정한다.

 

nmi_exit()

include/linux/hardirq.h

#define nmi_exit()                                              \
        do {                                                    \
                trace_hardirq_exit();                           \
                rcu_nmi_exit();                                 \
                BUG_ON(!in_nmi());                              \
                preempt_count_sub(NMI_OFFSET + HARDIRQ_OFFSET); \
                ftrace_nmi_exit();                              \
                lockdep_on();                                   \
        } while (0)

nmi 처리 끝났음을 알리기 위해 rcu도 알 수 있도록 설정하고, preempt count를 감소시킨다.

  • 코드 라인 4에서 nmi 처리 완료된 것을 RCU도 알아야하기 때문에 &rcu_dynticks->dynticks를 0으로 클리어한다.
  • 코드 라인 6에서 nmi 및 hard irq에 대한 preempt 카운터를 감소시킨다. (nmi도 nest 가능하다)

 

set_irq_regs()

include/asm-generic/irq_regs.h

static inline struct pt_regs *set_irq_regs(struct pt_regs *new_regs)
{
        struct pt_regs *old_regs;

        old_regs = __this_cpu_read(__irq_regs);
        __this_cpu_write(__irq_regs, new_regs);
        return old_regs;
}

pt_regs 레지스터들을 백업하고 기존 레지스터들을 반환한다.

 

__fiq_svc

arch/arm/kernel/entry-armv.S

        .align  5
__fiq_svc:
        svc_entry trace=0
        mov     r0, sp                          @ struct pt_regs *regs
        bl      handle_fiq_as_nmi
        svc_exit_via_fiq
 UNWIND(.fnend          )
ENDPROC(__fiq_svc)

abt 모드를 제외한 모든 모드에서 fiq exception을 만나 진입하게 되면 해당 ISR(Interrupt Service Routing)을 수행한다. (ARM에서는 기본적으로 등록되어 있지 않다)

  • 코드 라인 3에서 전체 레지스터를 스택에 백업한다. 속도를 중시하므로 trace를 제한한다.
  • 코드 라인 4~5에서 fiq 관련 등록된 ISR을 수행한다. (ARM에서는 기본적으로 등록되어 있지 않다)
  • 코드 라인 6에서 스택에 백업해둔 레지스터들을 다시 불러 읽은 후 해당 모드로 복귀한다.

 

svc_exit_via_fiq 매크로

arch/arm/kernel/entry-header.S

.       @
        @ svc_exit_via_fiq - like svc_exit but switches to FIQ mode before exit
        @
        @ This macro acts in a similar manner to svc_exit but switches to FIQ
        @ mode to restore the final part of the register state.
        @
        @ We cannot use the normal svc_exit procedure because that would
        @ clobber spsr_svc (FIQ could be delivered during the first few
        @ instructions of vector_swi meaning its contents have not been
        @ saved anywhere).
        @
        @ Note that, unlike svc_exit, this macro also does not allow a caller
        @ supplied rpsr. This is because the FIQ exceptions are not re-entrant
        @ and the handlers cannot call into the scheduler (meaning the value
        @ on the stack remains correct).
        @
        .macro  svc_exit_via_fiq
        mov     r0, sp
        ldmib   r0, {r1 - r14}  @ abort is deadly from here onward (it will
                                @ clobber state restored below)
        msr     cpsr_c, #FIQ_MODE | PSR_I_BIT | PSR_F_BIT
        add     r8, r0, #S_PC
        ldr     r9, [r0, #S_PSR]
        msr     spsr_cxsf, r9
        ldr     r0, [r0, #S_R0]
        ldmia   r8, {pc}^
        .endm

exception 전의 모드로 다시 복귀하기 위해 백업해두었던 레지스터들을 복구한다. (종료 전에 fiq 모드로 switch하는 것만 제외하고 svc_exit와 유사하다)

  • 코드 라인 18~19에서 스택으로 부터 r1 ~ r14 레지스터까지 복구한다.
  • 코드 라인 21에서 irq, fiq bit를 마스크한 상태로 fiq mode로 진입하다.
  • 코드 라인 22에서 r8에 스택에서 pt_regs의 pc 값을 읽어온다.
    • 가장 마지막에 복귀할 주소가 담긴다.
  • 코드 라인 23~24에서 스택에서 pt_regs의 psr 값을 읽어 spsr에 대입하여 기존 모드로 복귀한다.
  • 코드 라인 25에서 다시 스택에서 pt_regs의 r0 값을 읽어 r0 레지스터에 복구한다.
  • 코드 라인 26에서 복귀할 주소가 담긴 r8레지스터 값 주소로 jump 한다.

 

__fiq_abt

arch/arm/kernel/entry-armv.S (THUMB 코드 생략)

/*
 * Abort mode handlers
 */

@
@ Taking a FIQ in abort mode is similar to taking a FIQ in SVC mode
@ and reuses the same macros. However in abort mode we must also
@ save/restore lr_abt and spsr_abt to make nested aborts safe.
@
        .align 5
__fiq_abt:
        svc_entry trace=0

 ARM(   msr     cpsr_c, #ABT_MODE | PSR_I_BIT | PSR_F_BIT )
        mov     r1, lr          @ Save lr_abt
        mrs     r2, spsr        @ Save spsr_abt, abort is now safe
 ARM(   msr     cpsr_c, #SVC_MODE | PSR_I_BIT | PSR_F_BIT )
        stmfd   sp!, {r1 - r2}

        add     r0, sp, #8                      @ struct pt_regs *regs
        bl      handle_fiq_as_nmi

        ldmfd   sp!, {r1 - r2}
 ARM(   msr     cpsr_c, #ABT_MODE | PSR_I_BIT | PSR_F_BIT )
        mov     lr, r1          @ Restore lr_abt, abort is unsafe
        msr     spsr_cxsf, r2   @ Restore spsr_abt
 ARM(   msr     cpsr_c, #SVC_MODE | PSR_I_BIT | PSR_F_BIT )

        svc_exit_via_fiq
 UNWIND(.fnend          )
ENDPROC(__fiq_abt)

abt 모드에서 fiq exception을 만나 진입하게 되면 해당 ISR(Interrupt Service Routing)을 수행한다. (ARM에서는 기본적으로 등록되어 있지 않다)

  • 코드 라인 12에서 전체 레지스터를 스택에 백업한다.
  • 코드 라인 14~18에서 abt 모드의 lr, spsr을 스택에 백업한다.
    • irq 및 fiq를 disable한 상태로 다시 abt 모드로 진입하여 abt 모드에서의 lr 및 spsr을 r1, r2 레지스터에 잠시 저장하고 svc 모드로 바꾼 후 스택에 백업한다.
  • 코드 라인 20~21에서 fiq 관련 등록된 ISR을 수행한다. (ARM에서는 기본적으로 등록되어 있지 않다)
  • 코드 라인 23~27에서 irq와 fiq를 금지한 상태로 abt 모드에 진입해서 백업해 두었던 2개의 lr, spsr을 다시 복구한 후 svc 모드로 진입한다.

 

SWI 핸들러

arm에서 소프트 인터럽트 발생 시 호출되며 8개의 exception 벡터 주소가 있는 페이지(하이 벡터-0xffff_0000 또는 로우 벡터-0x0000_0000)의 바로 위 페이지 중 첫 엔트리에 arch/arm/kernel/entry-common.S – vector_swi 레이블의 주소가 담겨 있고, 이 주소를 호출한다.

 

vector_swi:

arch/arm/kernel/entry-common.S

/*=============================================================================
 * SWI handler
 *-----------------------------------------------------------------------------
 */

        .align  5
ENTRY(vector_swi)
        sub     sp, sp, #S_FRAME_SIZE
        stmia   sp, {r0 - r12}                  @ Calling r0 - r12
 ARM(   add     r8, sp, #S_PC           )
 ARM(   stmdb   r8, {sp, lr}^           )       @ Calling sp, lr
        mrs     r8, spsr                        @ called from non-FIQ mode, so ok.
        str     lr, [sp, #S_PC]                 @ Save calling PC
        str     r8, [sp, #S_PSR]                @ Save CPSR
        str     r0, [sp, #S_OLD_R0]             @ Save OLD_R0
        zero_fp
        alignment_trap r10, ip, __cr_alignment
        enable_irq
        ct_user_exit
        get_thread_info tsk

        /*
         * Get the system call number.
         */

#if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)

        /*
         * If we have CONFIG_OABI_COMPAT then we need to look at the swi
         * value to determine if it is an EABI or an old ABI call.
         */
 USER(  ldr     r10, [lr, #-4]          )       @ get SWI instruction
 ARM_BE8(rev    r10, r10)                       @ little endian instruction

#elif defined(CONFIG_AEABI)

        /*
         * Pure EABI user space always put syscall number into scno (r7).
         */
#else
        /* Legacy ABI only. */
 USER(  ldr     scno, [lr, #-4]         )       @ get SWI instruction
#endif

        adr     tbl, sys_call_table             @ load syscall table pointer

#if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)
        /*
         * If the swi argument is zero, this is an EABI call and we do nothing.
         *
         * If this is an old ABI call, get the syscall number into scno and
         * get the old ABI syscall table address.
         */
        bics    r10, r10, #0xff000000
        eorne   scno, r10, #__NR_OABI_SYSCALL_BASE
        ldrne   tbl, =sys_oabi_call_table
#elif !defined(CONFIG_AEABI)
        bic     scno, scno, #0xff000000         @ mask off SWI op-code
        eor     scno, scno, #__NR_SYSCALL_BASE  @ check OS number
#endif

소프트 인터럽트 핸들러로 user space에서 POSIX 시스템 콜 호출을 하는 경우 커널에서 “sys_”로 시작하는 syscall 함수 및 arm용 syscall 함수를 호출한다.  (thumb 소스는 생략하였다)

  • 리눅스는 3개의 ABI(Application Binary Interface) 관련 모드를 준비하였다.
    • CONFIG_OABI_COMPAT 커널 옵션은 Old ABI(legacy ABI) 및 AEABI 두  방식을 동시에 지원하기 위해 제공한다.
    • CONFIG_AEABI 커널 옵션은 AEABI 방식만 제공한다.
    • 위 두 커널 옵션을 사용하지 않는 경우 OABI를 지원한다.
  • 참고: ABI(Application Binary Interface) | 문c

 

  • 코드 라인 8에서 S_FRAME_SIZE 만큼 스택을 키운다. (grows down)
    • S_FRAME_SIZE: 18개 레지스터를 담는 pt_regs 구조체 사이즈
  • 코드 라인 9에서 r0~r12까지의 레지스터 값들을 스택에 저장한다.
  • 코드 라인 10~11에서 스택에 비워둔 레지스터 저장 장소 중 sp와 lr 레지스터 값을 해당 위치에 저장한다.
  • 코드 라인 12~15에 스택에 있는 pt_regs 구조체의 pc 위치에 돌아갈 주소가 담긴 lr을 대입하고, psr 위치에는 현재 모드의 spsr을 대입한다. 마지막으로 old_r0 위치에 r0 레지스터를 대입하다.
  • 코드 라인 16에서 fp 레지스터에 0을 대입한다
  • 코드 라인 17에서 CONFIG_ALIGNMENT_TRAP 커널 옵션을 사용하는 경우 alignment trap 기능을 적용한다.
  • 코드 라인 18에서 local irq를 enable 한다.
  • 코드 라인 19에서 컨텍스트 트래킹에 관련한  후처리 디버그 활동을 수행한다.
  • 코드 라인 20에서 tsk(r9)에 현재 cpu의 thread_info 주소를 알아온다.
  • 코드 라인 26~60에서 ABI 모드에 따라 swi 호출당시의 syscall 번호를 scno(r7)에 대입하고 tbl(r8)에 syscall 테이블 주소를  대입한다.
    • CONFIG_OABI_COMPAT: AEABI 및 OABI 두 모드를 동시에 지원한다.
      • swi 호출 당시의 숫자 부분만을 떼어 r10에 대입하고 그 값에 따라
        • 0인 경우 AEABI로 인식하여 아무것도 수행하지 않는다. (AEABI 규약에 의거 swi 0 호출 전에 r7에 syscall 번호가 담겨온다)
        • 0이 아닌 경우 OABI로 인식하여 r10에서 __NR_OABI_SYSCALL_BASE(0x900000)값을 더한 후 scno(r7)에 대입하고 tbl(r8)에 sys_oabi_call_table을 지정한다.
    • CONFIG_AEABI: AEABI 모드만 지원한다.
      • 아무것도 수행하지 않는다. (AEABI 규약에 의거 swi 0 호출 전에 r7에 syscall 번호가 담겨온다)
    • CONFIG_OABI
      • swi 호출 당시의 숫자 부분만을 떼어 scno(r7)에 대입하고 __NR_SYSCALL_BASE(0x900000)값을 더한다.
local_restart:
        ldr     r10, [tsk, #TI_FLAGS]           @ check for syscall tracing
        stmdb   sp!, {r4, r5}                   @ push fifth and sixth args

        tst     r10, #_TIF_SYSCALL_WORK         @ are we tracing syscalls?
        bne     __sys_trace

        cmp     scno, #NR_syscalls              @ check upper syscall limit
        adr     lr, BSYM(ret_fast_syscall)      @ return address
        ldrcc   pc, [tbl, scno, lsl #2]         @ call sys_* routine

        add     r1, sp, #S_OFF
2:      cmp     scno, #(__ARM_NR_BASE - __NR_SYSCALL_BASE)
        eor     r0, scno, #__NR_SYSCALL_BASE    @ put OS number back
        bcs     arm_syscall
        mov     why, #0                         @ no longer a real syscall
        b       sys_ni_syscall                  @ not private func

#if defined(CONFIG_OABI_COMPAT) || !defined(CONFIG_AEABI)
        /*
         * We failed to handle a fault trying to access the page
         * containing the swi instruction, but we're not really in a
         * position to return -EFAULT. Instead, return back to the
         * instruction and re-enter the user fault handling path trying
         * to page it in. This will likely result in sending SEGV to the
         * current task.
         */
9001:
        sub     lr, lr, #4
        str     lr, [sp, #S_PC]
        b       ret_fast_syscall
#endif
ENDPROC(vector_swi)
local_restart 레이블
  • 코드 라인 2에서 현재 태스크의 플래그 값을 r10 레지스터에 대입한다.
  • 코드 라인 3에서 syscall 호출 시의 5번째 인수와 6번째 인수를 스택으로 부터 읽어와 r4와 r5에 대입한다.
  • 코드 라인 5~6에서 syscall tracing이 요청된 경우 트레이스 관련 함수를 호출하여 처리한다.
    • __sys_trace 레이블에서 slow_syscall 루틴이 동작한다. (코드 설명 생략)
  • 코드 라인 8~10에서 syscall 번호가 syscall 처리 범위 이내인 경우 syscall 테이블에서 해당 syscall 번호에 해당하는 “sys_”로 시작하는 함수로 jump 하고 수행이 완료된 후 ret_fast_syscall 레이블 주소로 이동하게 된다.
    • 커널 4.0 기준 0~387번 까지의 syscall 함수들이 등록되어 있다.
      • 0번은 커널 내부 사용목적의 syscall 함수이다. (sys_restart_syscall())
  • 코드 라인 12~17에서 syscall 번호가 ARM용 syscall 범위이내인 경우 arm_syscall() 함수를 호출한다. 만일 범위를 벗어난 경우 sys_ni_syscall() 함수를 호출하여 private한 syscall을 처리하게 한다.  만일 특별히 private syscall을 등록하지 않은 경우 -ENOSYS 에러로 함수를 빠져나온다.
    • 커널 4.0 기준 5개의 ARM syscall 함수들이 등록되어 있다.

 

alignment_trap 매크로

arch/arm/kernel/entry-header.S

        .macro  alignment_trap, rtmp1, rtmp2, label
#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
        mrc     p15, 0, \rtmp2, c1, c0, 0
        ldr     \rtmp1, \label
        ldr     \rtmp1, [\rtmp1]
        teq     \rtmp1, \rtmp2
        mcrne   p15, 0, \rtmp1, c1, c0, 0
#endif
        .endm

CONFIG_ALIGNMENT_TRAP 커널 옵션을 사용하는 경우 alignment trap 기능을 적용한다.

  • alignment trap을 사용하면 정렬되지 않은 주소 및 데이터에 접근 할 때 prefect abort 또는 data abort exception이 발생한다.
  • 기존에 저장해 두었던 cr_alignment 값과 SCTLR 값이 다른 경우에만 SCTLR에 cr_alignment 값을 저장하는 방식으로 성능 저하를 막는다.

 

ret_fast_syscall 레이블

arch/arm/kernel/entry-common.S

/*
 * This is the fast syscall return path.  We do as little as
 * possible here, and this includes saving r0 back into the SVC
 * stack.
 */
ret_fast_syscall:
 UNWIND(.fnstart        )
 UNWIND(.cantunwind     )
        disable_irq                             @ disable interrupts
        ldr     r1, [tsk, #TI_FLAGS]            @ re-check for syscall tracing
        tst     r1, #_TIF_SYSCALL_WORK
        bne     __sys_trace_return
        tst     r1, #_TIF_WORK_MASK
        bne     fast_work_pending
        asm_trace_hardirqs_on

        /* perform architecture specific actions before user return */
        arch_ret_to_user r1, lr
        ct_user_enter

        restore_user_regs fast = 1, offset = S_OFF
 UNWIND(.fnend

syscall 처리를 마치고 복귀하기 전에 pending된 작업이 있으면 수행한 후 백업해 두었던 레지스터들을 다시 읽어 들인 후 복귀한다.

 

sys_ni_syscall()

kernel/sys_ni.c

/*
 * Non-implemented system calls get redirected here.
 */                             
asmlinkage long sys_ni_syscall(void)
{
        return -ENOSYS; 
}

범위 밖의 syscall 요청이 수행되는 루틴이다. private syscall이 필요한 경우 이곳에 작성되는데 없으면 -ENOSYS 에러를 반환한다.

 

참고

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