linux驱动之中断处理过程C程序部分

      当发生中断之后，linux系统在汇编阶段经过一系列跳转，最终跳转到asm_do_IRQ()函数，开始C程序阶段的处理。在汇编阶段，程序已经计算出发生中断的中断号irq，这个关键参数最终传递给asm_do_IRQ()。linux驱动中断处理C程序部分，主要涉及linux中断系统数据结构的初始化和C程序的具体执行跳转。

一、中断处理数据结构

      linux内核将所有的中断统一编号，使用一个irq_desc[NR_IRQS]的结构体数组来描述这些中断：每个数组项对应着一个中断源（可能是一个中断，也可能是一组中断），记录了中断的入口处理函数（不是用户注册的处理函数）、中断标记，并提供了中断的底层硬件访问函数（中断清除、屏蔽、使能）。另外，通过这个结构体数组项成员action，能够找到用户注册的中断处理函数。结构体irq_desc的数据类型在include/linux/irq.h中定义，内容如下：

struct irq_desc {
    irq_flow_handler_t    handle_irq;   /* 当前中断的处理函数入口 */
    struct irq_chip        *chip;       /* 低层的硬件访问 */
    struct msi_desc        *msi_desc;
    void            *handler_data;
    void            *chip_data;
    struct irqaction    *action;        /* 用户提供的中断处理函数链表 */
    unsigned int        status;         /* IRQ状态 */

    unsigned int        depth;          /* nested irq disables */
    unsigned int        wake_depth;     /* nested wake enables */
    unsigned int        irq_count;      /* For detecting broken IRQs */
    unsigned int        irqs_unhandled;
    spinlock_t        lock;
    const char        *name;            /* 中断名称 */
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

      irq_desc成员变量handle_irq是这个或这组中断的入口处理函数，成员变量chip结构体包含了这个中断的清除、屏蔽或者使能等底层函数，结构体类型irq_chip的定义也在include/linux/irq.h中，内容如下：

struct irq_chip {
    const char    *name;
    unsigned int    (*startup)(unsigned int irq);
    void        (*shutdown)(unsigned int irq);
    void        (*enable)(unsigned int irq);
    void        (*disable)(unsigned int irq);

    void        (*ack)(unsigned int irq);
    void        (*mask)(unsigned int irq);
    void        (*mask_ack)(unsigned int irq);
    void        (*unmask)(unsigned int irq);
    const char    *typename;
};

      irq_desc成员变量action记录了用户注册的中断处理函数、中断标志等等内容，其类型irqaction类型定义在include/linux/interrupt.h中，内容如下：

struct irqaction {
    irq_handler_t handler;       /* 用户注册的中断处理函数 */
    unsigned long flags;         /* 中断标志，是否共享中断，电平触发还是边沿触发等 */
    cpumask_t mask;              /* 用于SMP */
    const char *name;            /* 用户注册的中断名字，/proc/interrupts */
    void *dev_id;                /* 用户传递给handler的参数，还可以用来区分共享中断 */
    struct irqaction *next;      /* 指向下一个irqaciton结构体指针 */
    int irq;                     /* 中断号 */
    struct proc_dir_entry *dir;
};

      用户注册的每个中断处理函数对应一个irqaciton结构体，一个中断源可以有多个处理函数（共享终端），它们的irqaciton结构体可以构成一个单项链表，irq_desc[irqn].action则是表头。irq_desc[NR_IRQS]结构体数组的构成情况如下图所示：

 

      中断的处理流程如下：

（1） 发生中断后，CPU执行异常向量vector_irq的代码；

（2）在vector_irq里面，最终会调用中断处理C程序总入口函数asm_do_IRQ();

（3）asm_do_IRQ()根据中断号调用irq_des[NR_IRQS]数组中的对应数组项中的handle_irq();

（4）handle_irq()会使用chip的成员函数来设置硬件，例如清除中断，禁止中断，重新开启中断等；

（5）handle_irq逐个调用用户在action链表中注册的处理函数。

      可见，中断体系结构的初始化，就是构造irq_desc[NR_IRQS]这个数据结构；用户注册中断就是构造action链表；用户卸载中断就是从action链表中去除对应的项。

二、中断处理系统（数据结构）初始化

1、操作系统相关中断初始化

      init_IRQ()函数用来初始化中断体系结构，代码在arch/arm/kernel/irq.c中，代码如下：

void __init init_IRQ(void)
{
    int irq;

    for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++)
        irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;
    init_arch_irq();
}

      init_arch_irq()函数，就是用来初始化irq_desc[NR_IRQS]的，而且这个函数是与硬件平台紧密相关的，是一个函数指针。在移植linux内核的时候，将它指向硬件平台相关的中断初始化函数。这里我们以S3C2440硬件平台为例，这个函数指针指向s3c24xx_init_irq()。

      s3c24xx_init_irq()函数在arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c中定义，它为所有的中断设置了芯片相关的数据结构irq_desc[irq].chip，设置了处理函数入口irq_desc[irq].handle_irq。以外部中断EINT0为例，用来设置它们的代码如下：

void __init s3c24xx_init_irq(void)
{
    for (irqno = IRQ_EINT0; irqno <= IRQ_EINT3; irqno++) {
        irqdbf("registering irq %d (ext int)
", irqno);
        set_irq_chip(irqno, &s3c_irq_eint0t4);
        set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq);
        set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID);
    }
}

      set_irq_chip()函数的作用就是“irq_desc[irqno].chip = & s3c_irq_eint0t4”。s3c_irq_eint0t4为系统提供了一套操作EIN0~EINT4的中断底层的函数集合，内容如下：

static struct irq_chip s3c_irq_eint0t4 = {
    .name        = "s3c-ext0",
    .ack        = s3c_irq_ack,
    .mask        = s3c_irq_mask,
    .unmask        = s3c_irq_unmask,
    .set_wake    = s3c_irq_wake,
    .set_type    = s3c_irqext_type,
};

      中断处理函数入口为handle_edge_irq()，也及时“irq_desc[irqno].handle_irq = handle_edge_irq”.发生中断后，do_asm_irq()函数会调用该中断入口处理函数handle_edge_irq()，而该函数会调用用户注册的具体处理函数。

2、用户注册中断时带来的中断初始化

      用户（驱动程序）通过request_irq()函数向内核注册中断处理函数，request_irq()函数根据中断号找到数组irq_desc[irqno]对应的数组项，然后在它的action链表中添加一个action表项。，该函数在kernel/irq/manage.c中定义，函数内容如下：

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
        unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)
{
    action = kmalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_ATOMIC);
    ..........
    action->handler = handler;
    action->flags = irqflags;
    cpus_clear(action->mask);
    action->name = devname;
    action->next = NULL;
    action->dev_id = dev_id;
    ...........
    retval = setup_irq(irq, action);
}

      request_irq()函数首先使用4个参数构造一个irqaction结构，然后调用setup_irq()函数将它链入链表中，代码如下：

int setup_irq(unsigned int irq, struct irqaction *new)
{
    /* 判断是否没有注册过，如果已经注册了就判断是否是可共享的中断 */
    p = &desc->action;
    old = *p;
    if (old) {
        if (!((old->flags & new->flags) & IRQF_SHARED) ||
            ((old->flags ^ new->flags) & IRQF_TRIGGER_MASK)) {
            old_name = old->name;
            goto mismatch;
        }

        /* add new interrupt at end of irq queue */
        do {
            p = &old->next;
            old = *p;
        } while (old);
        shared = 1;
    }

    /* 链入新表项 */
    *p = new;
    
    /* 如果在链入之前不是空链，那么之前的共享中断已经设置了中断触发方式，没有必要重复设置 */
    /* 如果链入之前是空链，那么就需要设置中断触发方式 */
    if (!shared) {
        irq_chip_set_defaults(desc->chip);

        /* Setup the type (level, edge polarity) if configured: */
        if (new->flags & IRQF_TRIGGER_MASK) {
            if (desc->chip && desc->chip->set_type)
                desc->chip->set_type(irq,
                        new->flags & IRQF_TRIGGER_MASK);
            else
                printk(KERN_WARNING "No IRQF_TRIGGER set_type "
                       "function for IRQ %d (%s)
", irq,
                       desc->chip ? desc->chip->name :
                       "unknown");
        } else
            compat_irq_chip_set_default_handler(desc);

        desc->status &= ~(IRQ_AUTODETECT | IRQ_WAITING |
                  IRQ_INPROGRESS);

        if (!(desc->status & IRQ_NOAUTOEN)) {
            desc->depth = 0;
            desc->status &= ~IRQ_DISABLED;
            /* 启动中断 */
            if (desc->chip->startup)
                desc->chip->startup(irq);
            else
                desc->chip->enable(irq);
        } else
            /* Undo nested disables: */
            desc->depth = 1;
    }
    /* Reset broken irq detection when installing new handler */
    desc->irq_count = 0;
    desc->irqs_unhandled = 0;

    new->irq = irq;
    register_irq_proc(irq);
    new->dir = NULL;
    register_handler_proc(irq, new);
}

      setup_irq()函数主要完成的功能如下：

（1）将新建的irqaciton结构链入irq_desc[irq]结构体的action链表中；

① 如果action链表为空，则直接链入；

② 如果非空，则要判断新建的irqaciton结构和链表中的irqaciton结构所表示的中断类型是否一致：即是都声明为“可共享的”，是否都是用相同的触发方式，如果一致，则将新建的irqaciton结构链入；

（2）设置中断的触发方式；

（3）启动中断。

3、卸载中断

      卸载中断使用函数free_irq()，该函数定义在kernel/irq/manage.c中，需要用到两个参数irq、dev_id。通过这参数irq可以定位到action链表，再使用dev_id在链表中找到要卸载的表项（共享中断的情况）。如果它是唯一表项，那么删除中断，还需要调用irq_desc[irq].chip->shutdown()或者irq_desc[irq].chip->disable()来关闭中断，代码的主要内容如下：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)
{
    desc = irq_desc + irq;
    p = &desc->action;
    for (;;) {
        struct irqaction *action = *p;

        if (action) {
            struct irqaction **pp = p;

            p = &action->next;
            if (action->dev_id != dev_id)
                continue;

            /* Found it - now remove it from the list of entries */
            *pp = action->next;

            if (!desc->action) {
                desc->status |= IRQ_DISABLED;
                if (desc->chip->shutdown)
                    desc->chip->shutdown(irq);
                else
                    desc->chip->disable(irq);
            }

            unregister_handler_proc(irq, action);
            kfree(action);
            return;
        }
        return;
    }
}

三、中断的处理过程  

      从asm_do_IRQ()函数开始，分析linux系统中断的处理流程，它在arch/arm/kernel/irq.c中定义，内容如下：

asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
{
    struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
    struct irq_desc *desc = irq_desc + irq;

    if (irq >= NR_IRQS)
        desc = &bad_irq_desc;

    irq_enter();

    desc_handle_irq(irq, desc);

    /* AT91 specific workaround */
    irq_finish(irq);

    irq_exit();
    set_irq_regs(old_regs);
}

      其中desc_handle_irq(irq,desc)是一个内联函数调用，内联函数展开的结果，就是irq_desc[irq].handle_irq(irq,desc)。内容如下：

static inline void desc_handle_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
    desc->handle_irq(irq, desc);
}

1、普通流程（以外部中断EINT0为例）

      以外部中断EINT0为例分析程序的执行流程。通过对中断系统数据结构初始化的了解，我们知道irq_desc[IRQ_EINT0].handle_irq函数指针指向handle_edge_irq()，该函数在kernel/irq/chip.c中被定义，用来处理边沿触发的中断，内容如下：

void fastcall
handle_edge_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
    kstat_cpu(cpu).irqs[irq]++;

    /* Start handling the irq */
    desc->chip->ack(irq);

    /* Mark the IRQ currently in progress.*/
    desc->status |= IRQ_INPROGRESS;

    action_ret = handle_IRQ_event(irq, action);
}

      通过函数调用desc->chip->ack(irq)来响应中断，实际上就是清除中断以使得可以接受下一个中断，有了之前数据结构初始化的前提了解，可以知道实际上执行的就是s3c_irq_eint0t4.ack函数。handle_IRQ_event函数逐个执行action链表中用户注册的中断处理函数，它在kernel/irq/handle.c中定义，关键代码如下：

irqreturn_t handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct irqaction *action)
{
    do {
        ret = action->handler(irq, action->dev_id);
        if (ret == IRQ_HANDLED)
            status |= action->flags;
        retval |= ret;
        action = action->next;
    } while (action);
}

      用户通过函数request_irq()函数注册中断处理函数时候，传入参数irq和dev_id，在这里这两个参数被用户注册的中断处理函数action->handler()所使用。可见用户可以在注册中断处理函数的时候，指定参数dev_id，然后将来再由注册的中断处理函数使用这个参数。

2、特殊流程（以外部中断EINT5为例）

      在S3C2440处理器架构中，EINT5中断属于EINT4t7中断集合，是一个子中断。当EINT5中断线发生中断事件，那么将先跳转到EINT4t7中断号对应的中断入口处理函数，也即是irq_desc[EINT4t7].handle_irq(irq,desc)，进行具体子中断确定，然后再跳转到真正发生中断的中断入口处理函数执行。回顾一下EINT5这个中断注册时的函数调用，如下：

request_irq(IRQ_EINT5, eint5_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S2", NULL);

      我们并没有在注册EINT5中断处理函数的时候，一并注册了EINT4t7的处理函数，其实我们也不可能使用IRQ_EINT4t7来注册用户中断，因为我们只会使用一个中断源。中断集合EINT4t7的中断入口处理函数，是在arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c中的函数s3c24xx_init_irq()来初始化的，内容如下：

set_irq_chained_handler(IRQ_EINT4t7, s3c_irq_demux_extint4t7);

     由此可见，函数s3c_irq_demux_extint4t7()就是EINT4t7的中断入口处理函数。所以，当发生EINT5中断事件，那么汇编阶段根据INTOFFSET确定中断号为IRQ_EINT4t7,asm_do_IRQ函数通过传入的这个参数，将跳转到irq_desc[EINT4t7].handle_irq(irq,desc)函数执行，也就是函数s3c_irq_demux_extint4t7(irq,desc)，该函数的主要内容如下：

static void
s3c_irq_demux_extint4t7(unsigned int irq,
            struct irq_desc *desc)
{
    unsigned long eintpnd = __raw_readl(S3C24XX_EINTPEND);
    unsigned long eintmsk = __raw_readl(S3C24XX_EINTMASK);

    eintpnd &= ~eintmsk;
    eintpnd &= 0xff;    /* only lower irqs */

    while (eintpnd) {
        irq = __ffs(eintpnd);
        eintpnd &= ~(1<<irq);
        irq += (IRQ_EINT4 - 4);
        desc_handle_irq(irq, irq_desc + irq);
    }
}

static inline void desc_handle_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
    desc->handle_irq(irq, desc);
}

     函数s3c_irq_demux_extint4t7()的作用，就是根据寄存器S3C24XX_EINTPEND、S3C24XX_EINTMASK重新计算中断号，这个时候将计算出真正的中断号IRQ_EINT5，然后通过desc_handle_irq(irq, irq_desc + irq)来调用irq_desc[EINT5].handle_irq(irq,desc)。此后的过程与EINT0发生中断后的执行过程类似。

      可见，由于S3C2440在设计的时候最多允许32个中断源（剩余的中断源采用子中断的方式），所以汇编阶段根据INTOFFSET确定的中断号取值范围为IRQ_EINT0~IRQ_EINT0+31。也就是说asm_do_IRQ函数的参数irq的取值范围只有32个值，发生中断可能是一个实际的中断号，也可能是一组中断的中断号。如果是一个实际的中断号，那么直接跳转到该中断号对应irq_desc结构体下的handle_irq()执行即可；如果是一组中断的中断号，那么将通过这组中断对应的irq_desc结构体下的handle_irq()先来确定实际发生中断的中断号，然后再来执行其中断入口处理函数。

参考资料： 《嵌入式Linux应用开发完全手册》

                linux-2.6.26内核中ARM中断实现详解(转）