ACPI 与 APIC:认清硬件拓扑,把中断从老 PIC 切到 APIC

要做多核,第一个问题不是"怎么启动第二个核",而是更基础的:这台机器到底有几个核?它们的中断控制器在哪? BIOS 不会口头告诉你——它把答案写在一张叫 ACPI 表的数据结构里。而多核下,老式的 8259 PIC(单核时代的中断控制器)不够用了,得切到 APIC(每核一个本地控制器 + 一个系统级分发器)。这一章解 ACPI 表、立 APIC 驱动、把中断路由从 PIC 切到 APIC。这是 SMP 的地基——此刻仍是单核跑,但中断链路已经为多核铺好。

ACPI:BIOS 留的硬件说明书

ACPI 表是 BIOS 留给操作系统的"硬件说明书"。SMP 要的几样全在里面:有几个 CPU、每个 CPU 的本地中断控制器(LAPIC)地址、系统中断分发器(IOAPIC)地址、传统的 ISA 中断怎么路由(键盘、时钟这些)。

解析链是一路找下去(kernel/drivers/acpi/):

RSDP(根指针)→ RSDT(表目录)→ 各 SDT(MADT/FADT/HPET…)
                                  ↑ MADT 里有 CPU 列表 + APIC 地址

RSDP 怎么找:在物理内存里扫两个区域——EBDA(扩展 BIOS 数据区)和 BIOS ROM 区,按 16 字节对齐步长找 "RSD PTR " 签名。找到后校验 checksum。
RSDT:一张指向各 SDT 的指针表。遍历它找到 MADT。
MADT:解出 CPU 列表(每个 LAPIC 条目一个 CPU)、IOAPIC 地址、中断源覆盖(比如时钟 IRQ0 实际路由到哪个全局中断号)。

物理地址经 direct-map 访问(ACPI 表是普通内存)。注意和 APIC 的 MMIO 区分——APIC 寄存器是设备内存,得禁缓存,不能用 direct-map。

一个实测发现:QEMU 默认给的是 ACPI 1.0

实测下来,QEMU 的默认机型给的是 ACPI 1.0 的 RSDP——它只有 32 位的 rsdt_address,没有 64 位的 XSDT。所以表遍历的主路径必须是 RSDT(32 位指针),XSDT 只作为可选分支。这纠正了"QEMU 提供 ACPI 2.0"的想当然假设——以实测为准。

LAPIC 与 IOAPIC

ACPI 告诉了地址,接着立驱动(kernel/drivers/apic/):

LAPIC(本地 APIC):每个 CPU 一个,是一块 MMIO 寄存器(默认基址 0xFEE00000)。管本 CPU 的本地中断(定时器、核间中断 IPI)、中断结束(EOI);
IOAPIC(输入输出 APIC):系统级,收外部设备中断(键盘、PCI 等),按重定向表把中断分发给某个 CPU 的 LAPIC。

APIC 的 MMIO 要禁缓存

APIC 寄存器是设备内存(MMIO),访问它必须禁缓存(页表里的 PCD 位,Page Cache Disable)。direct-map 是允许缓存的,拿它访问 APIC 会读到缓存的旧值、行为错乱。所以 APIC 的 MMIO 区单独映射,带上 PCD 位。

从老 PIC 切到 APIC

有了 LAPIC/IOAPIC,把中断后端从老的 8259 PIC 切到 APIC。这一章立一个中断后端抽象(kernel/arch/x86_64/irq_backend):

屏蔽老 PIC:8259 屏蔽掉,中断不再走它;
使能 LAPIC:每个 CPU 的 LAPIC 软件使能;
IOAPIC 重定向:把传统 ISA 中断(时钟 IRQ0、键盘 IRQ1、鼠标 IRQ12)经 IOAPIC 重定向到 bootstrap CPU 的 LAPIC,而且照 ACPI 的中断源覆盖来(比如 IRQ0 实际路由到全局中断 2)。

切完之后,启动日志能看到 APIC 已切换,而且时钟中断(IRQ0)经 APIC 路由仍能正常触发——这就证明中断链路通了。真多核(第二个核上线)是下一章的事;这一章把"单核 + APIC 中断"铺到位。

验证

bash

ls kernel/drivers/acpi/ kernel/drivers/apic/
grep -rn 'find_rsdp\|MADT\|switch_to_apic\|set_redirect' kernel/drivers/ kernel/arch/x86_64/irq_backend.cpp | head
grep -rn 'FLAG_PCD' kernel/drivers/apic/ kernel/arch/x86_64/ | head

构建:

bash

cmake -B build -S . && cmake --build build -j$(nproc) > /tmp/b.log 2>&1; echo "build=$?"

端到端:启动日志里能看到 ACPI 解析出的拓扑(几个 CPU、LAPIC/IOAPIC 地址)、APIC 已切换,而且切换后时钟中断走时正确(说明中断经 IOAPIC→LAPIC 的链路通了)。真双核(-smp 2)要等下一章——这一章结束时仍是单核,但中断后端已经为多核准备好了。

小坑:QEMU 的串口输出混着 ANSI 转义序列,grep 默认会把它当二进制、静默不输出。查启动日志一律加 -a 强制按文本。

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一个实测发现:QEMU 默认给的是 ACPI 1.0 ​

LAPIC 与 IOAPIC ​

APIC 的 MMIO 要禁缓存 ​

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