Linux核心設計與實作(8)---中斷和中斷處理

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之前寫過中斷相關的文章了，詳細分析過ARM底層中斷實作過程，這篇文章着重從作業系統設計層面了解中斷系統。

1.中斷

中斷：是外圍裝置産生的異步事件，不同裝置，中斷号不同；比如在經典PC上，IRQ 0是時鐘中斷，IRQ 1是鍵盤中斷；對于連接配接于PCI總線上的裝置，中斷還可以是動态配置設定的。

異常：與中斷不同，異常的産生必須考慮與處理器時鐘同步，比如除零，缺頁，軟中斷等，都是由處理器自身産生的同步事件，異常也可稱為同步中斷；

本文對異步中斷的讨論，大部分也适合于異常(同步中斷)。

​2.中斷處理每個中斷都對應有一個中斷處理程式；

ISR是被核心調用來響應中斷的，它運作在中斷上下文中(也稱原子上下文)，是以代碼是不可阻塞的。

ISR應該快速執行。

​3.上半部與下半部又想ISR運作的快，又想ISR完成的工作量多，這是一個此消彼長的沖突關系；為了平衡這個沖突，Linux核心把中斷分為兩部分：

上半部：接收一個中斷，立即開始執行，但隻做嚴格時限的工作；例如中斷應答，硬體複位之類，這些工作是在所有中斷被禁止的情況下完成的。

下半部：上半部執行完後，在合适的時間，排程執行下半部，下半部可以處理一些耗時的工作，可以休眠。

​4.注冊中斷處理程式中斷處理程式通過request_irq()注冊(在linux/interrupt.h定義)

此處)折疊或打開

1. int request_irq(
2. unsigned int irq,
3. irq_handler_t handler,
4. unsigned long flags,
5. const char *name,
6. void *dev)      

(1)第一個參數irq:

表示要配置設定的中斷号，這個值通常是預先确定的，但對有的裝置來也可以探測擷取，或通過程式設計動态确定。

(2) handler：函數指針，指向這個中斷的ISR。

該函數原型如下，接受2個參數，并有irqreturn_t類型的傳回值：

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

(3) flags：中斷處理标志，可以用0，也可以用以下一個或多個标志的位掩碼

①IRQF_DISABLED:  keep irqs disabled when calling the action handler

如果不設定該位，中斷處理程式可以與除本身外的其他任何中斷同時運作，一般不會設定此位，這個用法是給希望快速執行的輕量級中斷，在過去的中斷中用以區分“快速”和“慢速”中斷。

②IRQF_SAMPLE_RANDOM

此标志表明這個裝置的中斷對核心熵池有貢獻，用以産生随機數。

③IRQF_TIMER：

該标志是特别為系統定時器的中斷處理程式而準備的。

④IRQF_SHARED：allow sharing the irq among several devices

必須在給定中斷線的所有處理程式中都指定這個标志，否則，一個中斷線上隻能有一個處理程式；

(4)name:

中斷裝置的名字，比如PC上鍵盤中斷對應的值是“keyboard”，這個名字會被/proc/irq和/proc/interrupts檔案使用。

(5)dev :用于共享中斷線

①中斷線被共享：dev必須傳遞唯一資訊，當一個中斷處理程式需要釋放時，dev将提供唯一的标志資訊，以便确定要在共享中斷線上要删除哪一個處理程式；

②不是共享中斷線，可以設為NULL，也可以用來傳遞裝置私有資訊。

request_irq()成功執行會傳回0，若非0，就表示發生錯誤，這時指定中斷處理程式不會被注冊。最常見的錯誤是-EBUSY,它表示中斷線已經在使用，或者注冊共享中斷時沒有指定IRQF_SHARED。

初始化硬體和注冊中斷處理程式的順序必須正确，以防止ISR在裝置初始化完成之前就開始執行。初始化硬體，包括set_irq_type();

int set_irq_type(unsigned int irq, unsigned int type);

irq:中斷号

type：中斷類型，可以設為下列标志

IRQT_RISING，IRQT_FALLING，IRQT_BOTHEDGE，IRQT_LOW ，IRQT_HIGH

​釋放中斷處理程式：

解除安裝驅動程式的時候，要登出相應的中斷處理程式，釋放中斷線

void free_irq(unsigned int irq, void *dev)；

如果中斷線非共享，該函數删除處理程式，禁止相應中斷線。

若為共享中斷，free_irq()删除dev相應的處理程式，而這個中斷線隻有在所有處理程式都被删除後，才會被禁用。

必須在程序上下文中調用free_irq()。

5.編寫中斷處理程式

(1) 中斷處理程式原型：typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, irq void * dev);

irq：中斷号

dev：通用指針，就是request_irq()注冊時的dev。

在共享中斷線時，用來區分不同裝置；

非共享中斷中，一般傳入硬體裝置私有資訊

irqreturn_t:傳回值，一般由兩個值

IRQ_NONE: 當ISR檢測到一個中斷，但該中斷對應的裝置并不是注冊ISR時指定的産生源時，傳回IRQ_NONE;

IRQ_HANDLED: ISR被正确調用且确實是它所對應的裝置産生了中斷，傳回IRQ_HANDLED.

也可以用宏IRQ_RETVAL(val)，val非零時傳回IRQ_HANDLED,val為0時傳回IRQ_NONE.

利用特殊傳回值，讷河可以知道裝置發出的是否是一種虛假的中斷(為請求)。

中斷處理期望完成的工作，擴充的耗時的工作，應該配置設定給下半部完成。

(2) 中斷處理程式特點：

①不能向使用者空間發送或接收資料，因為它不在任何程序上下文運作；

②處理程式不能做任何可能休眠的操作；

③不能調用schedule()函數；

④Linux的ISR無須是重入的，當一個給定ISR在執行時，相應的中斷線在所有處理器上都會被屏蔽。

⑤通常情況下，其他中斷是打開的，是以這些不同中斷線上的ISR都可以被處理。

中斷的嵌套，還要看CPU硬體提供的支援，Linux隻能适應硬體，而不能改變硬體特性。

(3) 共享的中斷處理程式：注意點主要有三

①request_irq()的參數flags必須設定為IRQF_SHARED标志；

②對于每個注冊的中斷處理程式，dev參數必須唯一，且不能為空；

③中斷處理程式必須能夠區分裝置是否真産生了中斷，一般由狀态寄存器或類似機制實作；

核心收到一個中斷後，它将依次調用在該中斷線上注冊的每一個處理程式，是以每個處理程式都應該能為中斷負責，若發現相關裝置并未産生中斷，應該立即退出。

6.中斷上下文程序上下文，是一種核心所處的操作模式，此時核心代表程序執行，程序以程序上下文的形式連接配接到核心中，是以程序上下文可以睡眠，也可以調用排程程式；

中斷上下文，與程序不相幹，它無法被排程，是以不能睡眠(一旦睡眠，則無法傳回)；

中斷上下文具有較為嚴格的時間限制，中斷上下文的代碼應當迅速、簡潔，盡量不要去處理繁重的工作。中斷打斷了其他代碼的執行(甚至可能是打斷了在其他中斷線上的另一個中斷處理程式)，是以ISR應該盡量快速的退出，盡量把工作從ISR中分離出來，放到下半部去執行。

中斷處理在32位機上隻有4K的中斷棧，是以應該盡量節約核心棧空間。

7.中斷處理機制的實作

中斷處理系統在Linux中的實作，是非常依賴于體系結構的。

當一個中斷産生，處理器會跳到一個預先定義好的入口點，每條中斷線處理器都會跳轉到一個唯一的對應位置。在棧中儲存IRQ号，調用do_IRQ()函數。

取出棧頂的參數，計算出中斷号後，do_IRQ()對所接收的中斷進行應答，禁止這條線上的中斷傳遞。然後調用handle_IRQ_event()來運作中斷處理程式。

handle_IRQ_event()函數中，若為共享中斷，所有該中斷線上的處理程式都被執行一遍。

執行完中斷處理程式，傳回入口點跳到ret_from_intr()。

這個例程中檢查重新排程程式是否正在挂起(need_resched被設定)，如果重新排程程式正在挂起，如果核心正傳回使用者空間，那麼schedule()會被調用；如果核心正要傳回核心空間(中斷了核心本身)，隻有在preempt_count為0時(不持有鎖)，schedule()才會被調用，否則搶占核心不安全。

8./proc/interrupts

procfs是一個虛拟檔案系統，隻存在于核心記憶體中。對procfs的讀寫都要通過核心函數實作，/proc/interrupts檔案，存放的是系統中與中斷相關的統計資訊。分别顯示中斷線，中斷發生次數，中斷控制器，發生中斷名字等。

9.中斷控制

Linux核心提供了一組接口，能夠禁止目前處理器的中斷系統，或屏蔽掉整個機器的一條中斷線的能力。

控制中斷系統的原因歸根結底，是需要提提供同步，通過禁止中斷，可以確定某個中斷處理程式不會搶占目前的代碼，禁止中斷還可以禁止核心搶占。

Linux支援多處理器，是以核心代碼一般都需要擷取某種鎖，來防止其他處理器對共享資料的并發通路。鎖提供保護機制，防止其他處理器的并發通路；禁止中斷提供保護機制，防止來自其他中斷處理程式的并發通路；

(1)禁止和激活中斷

禁止/激活目前處理器上的本地中斷，

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1. local_irq_disable();
2. local_irq_enable()      

禁止中斷之前儲存中斷系統狀态會更安全

禁止本地中斷，并儲存中斷狀态

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1. unsigned long flags;
2. local_irq_save(flags);//禁止中斷
3. …
4. local_irq_restore(flags);//中斷被恢複到它們原來的狀态      

這一對函數，應當在同一個函數内調用。

(2)禁止指定中斷線

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一般來說禁止共享中斷線是不合适的，這就禁止了這條線上的所有中斷傳遞。

1. void disable_irq(unsigned int irq); //目前正在執行的所有處理程式完成後，才傳回
2. void disable_irq_nosync(unsigned int irq); //不等待ISR執行完畢
3. void enable_irq(unsigned int irq);
4. void synchronize_irq(unsigned int irq); //等待指定中斷處理程式退出，才傳回
5. disable_irq()/enable_irq()；//必須成對使用，如果enable_irq()被調用多次，隻有最有一次調用後，才會真正激活中斷線；      

(3)中斷系統狀态

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1. irqs_disabled()；//本地處理器上的中斷系統被禁止，則它傳回非0，否則傳回0.
2. in_interrupt();//核心處于任何類型的中斷中，傳回非0，說明核心正在執行isr，或下半部處理程式
3. in_irq()；// 當核心确實正在執行中斷處理程式時，傳回非0