Linux中断完全分析

标签：中断   linux   下半部   tasklet   ksoftirqd   

学习本文可以对linux中断有全面而深刻的认识。本文对Linux中断所涉及的需求、管理机制、中断实现、中断接口（上半部和下半部）、驱动使用进行完全分析。

一、中断需求

软件是需求驱动的，软件的出现是为了解决需求和问题的。先知道需求，那理解代码就是为了验证已知的问题；不知道需求，那理解代码就是揣摩设计者的目的。两者相比，前者自然效率跟高。

中断是为了解决异步的需求。紧急的事情或者更高优先级的事情需要先做，就代表异步。例如，手机需要时刻优先响应用户按键或者触摸这个事件，否则用户体验就变差。信号是软件上的异步机制，而中断则是硬件上的异步机制。对于中断控制器（SOC）的设计原理请参考《软件和硬件都是对生活的高度抽象---论中断控制（ARM体系编程）》一文。

二、Linux中断需求

      上述中断需求对所有实时设备均适用，不管是高级处理器（如ARM体系手机）还是低端控制器（如51体系）。但是对于不同的体系和不同的多任务环境上，中断的需求也要进一步细分。如不同的CPU体系在内存上的表现也会不同的，高级处理器所配置的内存比较大，M级以上，而低端处理器配置的内存比较小，都是K级别。内存的大小也决定了软件代码量和复杂度。Linux操作系统适用于高级处理器和大内存，能够处理大量多任务并发执行。在多进程多线程环境下，中断的需求也变得复杂，因此Linux的中断处理也相对复杂。我们一一来分析Linux中断的需求来自哪里，以及Linux是如何应对的。

      我们设想有以下场景：假设是90年代初有某个公司就只有一台电话机（这个场景过时了，一时没想到更好的J），公司只有总经理A和主管B和员工C三个人。我们很容易想到，三者做的事情的重要性是总经理到主管再到员工。在使用电话机对外交流的时候，应该优先总经理，再到主管，最后才是员工。好，三个人常态时是在埋头工作，需求电话沟通代表了异步紧急的事情。我们逐一分析遇到的问题，并考虑怎么应对解决：

      1.先是主管B遇到紧急事情需要打断手头的工作去电话，而总经理A在B打电话期间遇到紧急的事情也要打电话。如果主管B一直拿着电话煲粥，那总经理肯定很不爽，因为总经理的事情紧急又更重要。所以合理的处理方式是，总经理有权利抢占电话来先处理紧急的事情。这就是在软件上要允许中断嵌套，让更高优先级的中断能够得到的及时的响应。

      2.主管B在打电话的时候，如果员工C遇到紧急的事情也要打电话，他自然是不能抢来打的。这样就引发一个这样的问题，如果B一直占着电话不放，这样合理吗？主管B跟客户肯定是先把紧急的事情（设为B1）说完了，然后为了维护客户关系，就跟客户吹吹水什么的（设为B2）。员工C要打电话处理紧急的事情应该要比B2更加重要吧。假设C和对方沟通完紧急的事情（设为C1）后，也跟客户吹水（设为C2）。那从公平的角度来讲，C1要比B2重要。怎么处理这种情况呢？Linux中断使用上半部和下半部机制。即将每个中断服务分成两个阶段，上半部处理硬件相关和非常紧急的操作（如读硬件数据），而下半部处理没有那么紧急的操作（将硬件数据放到队列等）；而且规定，低优先级中断的上半部可以抢占高优先级中断的下半部。即主管B的紧急处理分为B1和B2两个部分，员工C的紧急处理分为C1和C2两个部分。C1可以抢占B2进行。中断上半部和下半部机制是为了让低优先级中断也得到执行的机会。

      3. 如果C在一段时间需要跟很多个客户紧急沟通，然后跟每个客户都要吹吹水，即由C发起很多的C1和C2，那主管B想跟C说个事交代一下都找不到机会啊，如果是周一早上例会，C这么干，那这个例会肯定开不成了。例会是主管正常的工作流程（非紧急，如果紧急就是B要打电话了），那B应该等待C和客户交流紧急的事情即C1，也可以容忍C跟一两个客户吹水即C2，但不可以一直等C跟每个客户都吹水的，C怎么都要歇一会跟主管碰碰面吧，等主管B 布置好任务再继续吹水也不迟。Linux中断怎么处理这种情况？Linux中断在处理完所有中断的上半部后会继续处理一部分下半部，但是每次规定最多处理N个下半部。如果还剩下没有处理的下半部，那就交给一个叫做ksoftirqd的后台控制线程，然后退出中断并进行任务调度，这样高优先级的进程就可以得到执行的机会。Ksoftirqd也能通过正常的调度得到执行的机会，将剩下的下半部执行完。Ksoftirqd是一个有较高优先级的内核线程，它能够比较快得到执行机会，因此整个中断的服务也能较快完成。当然，如果Ksoftirqd能够有执行的机会，也代表中断产生很频繁，可以考虑从系统层面进行优化。

      Linux常规的下半部实现机制有两种，一种是tasklet，其即由上述Ksoftirqd执行；另一种是工作队列workqueue，其由内核线程eventX来执行。两者的区别在于，tasklet对应的下半部不可以睡眠，而workqueue对应的下半部不可以睡眠。

另外，Linux从2.6开始也支持中断线程化，其实它也是中断下半部的一种实现方式，即创建中断线程来执行下半部，而中断线程是有优先级，因此更高优先级的任务进程就可以得到执行的机会。

本文只对tasklet下半部机制进行描述。Workqueue和中断线程化不做讨论。

      4. 总结：

      1）执行顺序：高优先级中断的上半部->低优先级的上半部->下半部（高低优先级中断）->高优先级进程->低优先级进程。其中，下半部过多时会转移到ksoftirqd内核线程执行。

      2）中断嵌套是为了让高优先级的中断得到及时响应；中断上下半部机制是为了低优先级的中断得到及时响应；ksoftirqd内核线程的调度是为了让高优先级的任务进程得到执行的机会。

三、中断管理机制

      以下基于Linux2.6内核和ARM(s5pv210)体系进行分析，其中ARM(s5pv210)体系中断的硬件编程请参考《软件和硬件都是对生活的高度抽象---论中断控制（ARM体系编程）》一文。本文侧重描述Linux中断的管理。

      但是我们注意一点，就是基于ARM体系的SOC中断控制器一般都会有几个二级中断源合并（或电路）为一条一级中断线，然后所有的一级中断线合并（或电路）之后再接入CPU的irq信号线。s5pv210由VIC0、VIC1、VIC2、VIC3对应的四组寄存器来管理一级中断源，例如，UART0中断对应VIC1寄存器组的第10个bit；但是UART0有接收中断，也有发送中断，它们属于二级中断源。

1.   数据结构

--include/linux/irq.h

struct irq_desc是中断管理的核心数据结构，由它来连接硬件中断控制器和对应中断的服务函数。

struct irq_desc {

//中断号，指的是一级中断号，如UART0即32+10=42.

      unsigned int         irq;

//对应中断控制器操作，如mask，enable操作等

      struct irq_chip       *chip;

//一级公共中断服务函数，如接收和发送中断都有共同的清pending的操作。

irq_flow_handler_t handle_irq;

//具体的二级中断服务函数连成链表

      structirqaction     *action;    

      …

}

--kernel/irq/handle.c

//定义irq_desc全局数组，元素就是128个。

structirq_desc irq_desc[NR_IRQS];

--include/linux/irq.h

structirq_chip代表中断控制器的硬件控制。为什么要将硬件的控制操作作为函数指针然后连接到irq_desc，而不是直接在中断服务中进行？这是因为中断服务属于驱动的范畴，如果驱动直接对硬件寄存器编程，那就会导致驱动的可移植性变差，应该将平台硬件相关的操作进行分离，在linux启动的时候做好初始化，并注册到系统中，那驱动需要进行控制时就可以通过获取到irq_chip数据结构，并调用里面的函数来实现控制。这样讲驱动移植到不同的平台，只需要修改BSP板级初始化的过程，而不需要修改驱动。这与将外围设备连接的GPIO作为资源并附属到设备数据结构，而驱动通过资源接口来获取GPIO是一样的道理。Linux是尽可能地考虑高度可移植性的系统，绝对是面向对象设计编程的典范。

structirq_chip {

   const char *name;

   void          (*enable)(unsignedint irq);

   void          (*disable)(unsignedint irq);

   void          (*mask)(unsignedint irq);

          void          (*unmask)(unsignedint irq);

         int       (*set_wake)(unsigned int irq, unsignedint on);

         ….

}

--include/linux/irq.h

typedef  void (*irq_flow_handler_t)(unsigned int irq, structirq_desc *desc);

irq_flow_handler_t   handle_irq代表一级中断公共服务操作。

--include/linux/interrupt.h

structirqaction {

//typedef irqreturn_t(*irq_handler_t)(int, void *);二级中断服务接口

   irq_handler_t handler;

//触发中断方式，如边沿或者电平触发

   unsigned long flags;

   const char *name;

//一般是中断设备的数据结构

   void *dev_id;

//二级中断链接点

   struct irqaction *next;

//中断号

   int irq;

//proc映象路径

   struct proc_dir_entry *dir;

//中断线程化，我们不讨论这点，设为NULL。

   irq_handler_t thread_fn;

   struct task_struct *thread;

   unsigned long thread_flags;

};

2.   Irq_desc的初始化

struct irq_descirq_desc[NR_IRQS] = {

      [0 ... NR_IRQS-1] = {

           .status = IRQ_DISABLED,//初始状态为disable

           .chip = &no_irq_chip, //未对应实际硬件

           .handle_irq = handle_bad_irq,

            …

      }

};

Linux启动的第二部分会调用:

Start_kernel

      1）early_irq_init

            ---desc = irq_desc;

           ---count= ARRAY_SIZE(irq_desc);

           ---for(i = 0; i < count; i++) {

                 ---desc[i].irq= i;//中断号设置

            ----------…

           ---}

            arch_early_irq_init()

           2）init_IRQ

             -----for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++)

             ----------irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;

             -----init_arch_irq()

//即s5pv210_init_irq—arch/arm/mach-s5pv210/smdk210.c                 

----------s5p_init_irq(vic,ARRAY_SIZE(vic));

---------------vic_init(VA_VIC(irq),VIC_BASE(irq), vic[irq], 0);

--------------------vic_disable(base);//默认不使能中断

--------------------vic_set_irq_sources

-------------------------//初始化各个irq_desc的irq_chip

-------------------------set_irq_chip(irq,&vic_chip);

-------------------------//默认一级中断和相关寄存器。

-------------------------set_irq_handler(irq,handle_level_irq);

3.   各个irq_desc对应硬件irq_chip的初始化

set_irq_chip(irq,&vic_chip);其中vic_chip在\arch\arm\common\vic.c

static struct irq_chipvic_chip = {

      .name       ="VIC",

      .ack           =vic_ack_irq,

      .mask        =vic_mask_irq,//屏蔽中断

      .unmask          =vic_unmask_irq,

      .retrigger   = vic_retrigger_irq,

      .set_wake  =vic_set_wake,//唤醒

};

Irq_chip中的接口均是以中断号为参数，这样可以找到对应的VIC寄存器，实现屏蔽等功能。

4.   总结申请中断之前的中断相关数据结构

中断注册前，即在linux启动之后，irq_desc数组的每个元素（即一级中断）部分数据结构和对应的硬件控制寄存器irq_chip均已经初始化。但是irq_desc的action，即具体中断服务是空的，而且状态是disable的。

5.   中断申请注册接口

int request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler, unsigned long flags,

         const char *name, void *dev);

1)   irq是一级中断号，但是我们不应该按照SOC的SPEC直接填入一级中断号，而应该按照

arch\arm\plat-s5p\include\plat\irqs.h中通过宏定义设置的中断号，它通过一级级的宏展开，最终也可以得到一级中断号，但是通过宏定义的中断号，编程更加明了。如：

#defineIRQ_S5P_UART_RX0   (IRQ_S5P_UART_BASE0 +UART_IRQ_RXD)。

用IRQ_S5P_UART_RX0即代表UART0的接收中断。

2）handler中断处理函数

3）flags触发方式

4）name名称，会出现在/proc/interrupt/目录中。

5）dev一般填入中断对应设备的数据结构。

6.   中断注册之后的映象

      注册后也能在/proc/interrupts/目录中看到以request_irq的参数name为名称的目录，该目录有几个属性文件，记录中断发生的次数等等。

      可以看出，irq_desc是连接硬件相关的chip和对应的软件处理action。chip的初始化在linux启动过程即完成初始化，而action在request_irq接口中完成填充。

四、中断处理

中断是异常的一种，异常还包括缺页、syscall等等。对于一般低端单片机来说，中断向量表是异步信号发生时的直接入口，而对于cortex A8高级CPU来说，异常向量表是异步信号发生时的直接入口。假如发生irq中断，那么PC会转到异常向量表中的irq偏移处取出指令并执行，即该处是irq中断的总入口。而S5PV210是基于cortex A8核心，中断控制器是SOC级别控制模块，是三星进行系统设计的，而cortex A8是ARM公司提供。中断控制器管理最多不超过128个一级中断源，其同样对应一份中断向量。具体选择哪个向量地址来执行，是由irq中断总入口根据当前的irq pending位进行分发调用。

异常向量地址由异常向量基址和偏移组成，如irq中断偏移0x18. 当发生异常时，cortex A8的PC跳转到异常向量地址的基址是可以配置的。其由协处理器CP15来设置。默认的基址是0x0000 0000，而linux启动的过程中设置为0xffff 0000。

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1.异常向量表的初始化     

2.中断服务和分发

五、中断下半部tasklet

      以上描述的中断处理均是指中断的上半部，下半部由上半部创建和调度。

1.   接口

2.   中断调度

3.   Ksoftirq执行

六、典型的Linux中断编程设计

七、总结

Linux中断完全分析

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