微信公眾號 mindshare思享

NMI是Non Maskable Interrupt的縮寫，它是一種不能mask的硬體中斷，主要用於當一些不能恢復的硬體錯誤發生時傳送訊號給CPU。

NMI通常是用在當一般的中斷被軟體（比如OS）mask的情況下需要響應一些關鍵事件，比如報不能恢復的硬體錯誤（比如cache的parity和ECC錯誤），在一般中斷被mask情況下的系統除錯，處理如系統復位（復位按鈕）這種特別的情形。

本文將介紹x86和arm中有無NMI和怎麼來處理需要NMI的場景。

x86的NMI

NMI在x86構架上已經存在很長的時間(8086就已經有了)。一般的中斷INTR會受到IF的影響，當IF＝1時，INTR被遮蔽，而NMI不受到IF設定的影響，CPU都會響應。

Arm上的NMI？

Arm處理器上有沒有NMI呢？這個需要分情況來說。

眾所周知，現代的armCPU有Cortex-A/R/M序列處理器，Cortex-A為應用處理器，Cortex-R為實時處理器，Cortex-M為MCU處理器。

Cortex-M處理器

因為Cortex-M處理器用在MCU上，有的MCU用在非常關鍵的場景，比如火災監測，它需要不管當時MCU在處理什麼任務，一旦監測到火災，必須立即報警和響應（噴水？）因此Cortex-M構架的CPU都有由NVIC支援的NMI,這個NMI是沒有任何辦法去mask的，即使在Cortex-M因為關鍵的錯誤進入了hard fault，甚至是lock up的狀態，NMI也可以被響應。不管怎麼設定PRIMASK，FAULTMASK都不能遮蔽NMI 。

Cortex-A/Cortex-R處理器

Cortex-A和Cortex-R處理器沒有獨立的NMI，但是Cortex-A和Cortex-R的中斷處理有比較大的區別：Cortex-R需要中斷響應的實時性，而Cortex－A處理器的中斷實時性要求不是非常高，但是要支援安全擴充套件，虛擬化等特有的特性，需要對應的中斷處理支援。

在Cortex-A和Cortex-R處理器中，有兩個中斷訊號，IRQ, FIQ (對於支援虛擬化的Cortex-A處理器其實還有vIRQ, vFIQ訊號，不是本文要闡述的)。

FIQ代表fast interrupt. FIQ在 arm的處理器裡有很長的歷史，早在armv4構架的arm7處理器已經存在，在armv8 64位構架之前還有與之對應的FIQ處理器模式。

FIQ之所以fast體現在以下方面：

1.  FIQ和IRQ同時發生時，FIQ有更高的優先順序，先被處理。

2.  在處理IRQ時如果FIQ沒有被mask, FIQ可以搶佔IRQ異常處理過程。

3.  在發生IRQ異常，做IRQ異常處理過程中，CPU HW自動mask IRQ, 但是不mask FIQ.

FIQ有額外的bank暫存器，減少軟體需要保護的暫存器，加快FIQ處理。

但是FIQ不是真正意義上的NMI，因為它可以被軟體mask。通過設定CPSR.FIQ bit就可以（引入安全擴充套件和虛擬化擴充套件之外情況有點複雜，暫時不表）。

在Cortex-R上對FIQ有特殊的處理，可以通過繫結CFGNMFI輸入訊號將FIQ變成真正意義上的NMI。

但是在Cortex-A處理器的時代，FIQ用作fast interrupt的場景並不多，預設的Linux kernel也並不使用FIQ. 主要是Cortex-A 處理器用在手機，平板電腦中，對中斷的實時性要求不是很高，當然還是有sysrq的kernel除錯的需求（後面會講到）。

所以實際上FIQ被“挪用”到另一種使用場景中：用來支援Trustzone,區分安全和非安全中斷, 這需要中斷控制器GIC和CPU的通力合作，以GICv2為例：

1.   配置GIC通過FIQ傳送安全中斷給CPU，通過IRQ傳送非安全中斷給CPU。

2.   配置CPU在secure state時trap IRQ(非安全中斷)到secure monitor；在non secure state是trap FIQ(安全中斷)到secure monitor.

到了armv8-a的aarch64中，做的更徹底，乾脆就沒有了FIQ處理器狀態，上面1-4的特性也沒有了，只是徒有其名－FIQ.

為什麼要在和大家在講NMI的主題裡和大家講這個呢？主要是這會影響到在arm裡怎麼模擬NMI.

但是隨著近年arm進入到伺服器和PC市場，對NMI的需求越來越強（包括對RAS error的處理）。arm怎麼在沒有物理NMI的場景下支援NMI的特性呢？

以下內容會談到：

1.   NMI的使用場景。

2.   在arm上怎麼模擬NMI

a.   通過GIC的中斷優先順序模擬

b.   通過SDEI介面模擬

首先我們來說一下NMI的使用場景。

用作debug手段

在x86上，很久以前就使用NMI來作為除錯手段：

·     早期的PC 用它來報如記憶體出錯這樣的硬體問題

·     現代的伺服器在前面板上有一個物理的NMI按鈕

·     看門狗中斷可以傳送到NMI, 進而得到系統出現問題（比如hard lock，檢測在中斷禁止情況下的deadlock）的現場資訊，而不是僅僅重啟。

·     performance counter 可以直接掛到local APIC上。

未完待續