Linux内核设计与实现 总结笔记（第七章）中断和中断处理

中断和中断处理

处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不再一个数量级上，因此，如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求。

然后专门等待回应的办法，如果专门等待回应，明显太慢。所以等待期间可以处理其他事务，等待完成了请求操作后，再回来进行处理。

所以内核提供了一种机制，让内核在需要的时候再向内核发出信号。这就是中断机制。

一、中断

硬件中断可以随时产生，因此，内核随时可能因为新到来的中断而被打断。

不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个唯一的数字标志。

这些中断值通常被称为中断请求（IRQ）线。每个IRQ线都会被关联一个数值量。

异常：它产生时必须考虑处理器时钟同步，常常也被称为同步中断。

在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令的时候，或者实在执行期间出现特殊情况，必须靠内核来处理的时候，处理器就会产生一个异常。

二、中断处理程序

在响应要给特定中断的时候，内核会执行要给一个函数，该函数叫做中断处理程序或中断服务例程（ISR）。

linux中断程序是普通的C函数，不过必须按照特定的方式声明，以便内核识别。

真正的区别在于：中断处理程序是被内核调用来响应中断的，而它们运行于中断上下文的特殊上下文中。

中断上下文偶尔也称为原子上下文，该上下文中的执行代码不可阻塞。

中断程序最好尽快反应，并且执行时间尽可能短。

三、上半部与下半部的对比

一般把中断程序分成两个部分，中断处理程序是上半部（接收到一个中断，就立即执行，但只做有限的工作） 。

稍后完成的工作会推迟到下半部去，在适合的时机，下半部会被开中断执行。

四、注册中断处理程序

驱动程序可以通过request_irq()函数注册终端处理程序，它被声明再文件<linux/interrupt.h>中

/* request_irq:分配一条给定的中断线 */
int request_irq(unsigned int irq,
                    irq_handler_t handler,
                    unsigned long flags,
                    const char *name,
                    void *dev)
/* 第一个参数irq表示要分配的中断号 */
/* 第二个参数handler时一个指针，指向处理这个中断的实际中断处理程序 */

/* handler原型 */
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

4.1 中断处理程序标志

第三个参数flags可以为0，再文件<linux/interrupt.h>中定义了掩码

IRQF_DISABLED：意味着内核在处理中断程序本身期间，要禁止所有的其他中断

IRQF_SAMPLE_RANDOM：此标志表明这个设备产生的中断对内核熵池有贡献

IRQF_TIMER：特别为系统定时器的中断处理而准备的

IRQF_SHARED：可以在多个中断的处理程序之间的贡献中断线

第四个参数name是与中断相关的设备的ASCII文本表示，在/proc/irq和/proc/interrupts

第五个参数dev用于共享中断线，当一个中断处理程序释放时，dev将提供标志信息。如果不需要共享中断线，设空（NULL）就行。

4.2 一个中断例程

request_irq();
if(request_irq(irqm, my_interrupt, IRQF_SHARED, "my_device", my_dev)) {
    printk(KERN_ERR "my_device: cannot register IRQ %d
", irqn);
    return -EIO;
}

• irqn是请求中断线
• my_interrupt是中断处理程序
• 设置IRQF_SHARED中断可以共享
• 设备名为"my_device"
• 传递my_dev给dev形参

如果调用返回0，则说明成功。必须先初始化程序，然后再注册中断

4.3 释放中断处理程序

调用free_irq注销相应的中断处理程序。

void free_irq(unsigned int irq, void *dev)

如果指定的中断线不是共享的，那么函数删除动作的同时会禁用此中断线

如果设置了共享标志，那么函数删除仅仅对dev对应的处理程序，除非删除了最后一个处理程序后，中断线才会被禁用。

五、编写中断处理程序

/* irq:参数已经没有太大意义了 */
/* dev:一个通用指针，它与中断处理程序注册时传递的必须一致 */
static irqreturn_t intr_handler(int irq, void *dev)

返回值是一个特殊类型：irqreturn_t，可能返回两个特殊的值：IRQ_NONE和IRQ_HANDLED

重入和中断处理程序：中断程序是不需要重入的，程序中断时，其他中断会被屏蔽，而且也不会重复嵌套。

5.1 共享中断处理程序

共享和非共享处理程序比较相似，但是差异主要有三处：

• request_irq()参数flags必须设置IRQF_SHARED标志
• 对于每个注册的中断程序，dev参数必须唯一，中断处理程序会用到这个值
• 中断处理程序必须能够区分它的设备是否真的产生了中断。否则无法判断哪个设备发出的中断请求。

任何一个设备没有按规则进行共享，那么中断就无法共享了。

5.2 中带能处理程序实例

在driver/char/rtc.c中有RTC相关的例子。中断发生时，报警器或定时器就会启动。

当RTC驱动程序装载时，rtc_init()会被调用。

/* 对rtc_irq注册rtc_interrupt */
if(request_irq(rtc_irq, rtc_interrupt, IRQF_SHARED, "rtc", (void *)&rtc_port)) {
    printk(KERN_ERR "rtc: cannot register IRQ %d
", rtc_irq);
    return -EIO;
}

第一个参数说明RTC位于IRQ8，中断程序为rtc_interrupt，并且设置了共享中断线，程序名为"rtc"

static irqreturn_t rtc_interrupt(int irq, void *dev)
{
    /*
     * 可以是报警中孤单、更新完成的中断或周期性中断
     * 我们把装填保存在rtc_irq_data的低字节中，
     * 而把从最后一次读取之后所接收的中断号保存在其余字节中
     */
    spin_lock(&rtc_lick);

    rtc_irq_data += 0x100;
    rtc_irq_data &= ~0xff;
    rtc_irq_data |= (CMOS_READ(RTC_INTR_FLAGS) & 0xF0);

    if(rtc_status & RTC_TIMER_ON)
        mod_timer(&rtc_irq_timer, jiffies + HZ/rtq_freq + 2*HZ/100);

    spin_unlock(&rtc_lock);

    /*
     * 现在执行其余的操作
     */
    spin_lock(&rtc_task_lock);
    if(rtc_callback)
        rtc_callback->func(rtc_callback->private_data);
    spin_unlock(&rtc_task_lock);
    wake_up_interruptible(&rtc_wait);

    kill_fasync(&rtc_async_queue, SIGIO, POLL_IN);

    return IRQ_HANDLED;
}

 使用自旋锁，保证不会被其他处理器同时访问。

rtc_irq_data存放RTC有关的信息。

后面部分，则是可能运行预先设置好的回调函数。每个RTC驱动程序允许注册要给回调函数，在中断到来时执行。

最后返回IRQ_HANDLED，表明已经正确完成对此设备的操作。

六、中断上下文

当执行一个中断处理程序时，内核处于中断上下文中。

中断上下问和进程没有什么瓜葛。

中断上下文具有较为严格的时间限制，因为它打断了其他代码。

中断处理程序栈的设置是要给配置选项，32位8KB，64位16KB 。

总而言之，尽量节约内核栈空间。

七、中断处理机制的是实现

中断发生，通过电信号传递给处理器，除非屏蔽了此中断，否则处理器会立即执行。

中断旅程开始于预定义入口，每条中断线，处理器都会跳到对应的一个唯一的位置，这样内核就知道接收的IRQ中断号。

unsigned int do_IRQ(struct pt_regs regs)

如果do_IRQ确保在中断线上有一个有效的处理程序，而且程序已经启动。do_IRQ()就调用handle_IRQ_event()来运行为这条

中断线所安装的中断处理程序。在文件kernel/irq/handler.c中

/**
 * handle_IRQ_event - irq action chain handler
 * @irq:             the interrupt number
 * @action:        the interrupt action chain for this irq
 *
 * Handles the action chain of an irq event
 */
irqreturn_t handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct irqaction *action)
{
    irqreturn_t ret, retval = IRQ_NONE;
    unsigned int status = 0;

    if(!(action->flags & IRQF_DISABLED))
        local_irq_enable_in_hardirq();

    do {
        trace_irq_handler_entry(irq, action);
        ret = action->handler(irq, action->dev_id);
        trace_irq_handler_exit(irq, action, ret);

        switch(ret) {
        case IRQ_WAKE_THREAD:
                /*
                 * 把返回值设置为已处理，以便可疑的检查不再触发
                 */
                ret = IRQ_HANDLED;

                /*
                 * 捕获返回值为WAKE_THREAD的驱动程序，但是并不创建一个线程函数
                 */
                if(unlikely(!action->thread_fn)) {
                    warn_no_thread(irq, action);
                    break;
                }

                /*
                 * 为这次中断唤醒处理线程。万一线程崩溃且被杀死，我们仅仅假装已经处理了该中断。上述的硬件中断(hardirq)处理程序已经进制设备中断，因此杜绝irq产生
                 */
                if(likely(!test_bit(IRQTF_DIED, &action->thread_flags))) {
                    set_bit(IRQTF_RUNTHREAD, &action->thread_flags);
                    wake_up_process(action->thread);
                }

                /* Fall through to add to randomness */
            case IRQ_HANDLED:
                status |= action->flags;
                break;

            default:
                break;
            }

            retval |= ret;
            action = action->next;
    } while (action);
    
    if(status & IRQF_SAMPLE_RANDOM)
        add_interrupt_randomness(irq);
    local_irq_disable();

    return retval;
}

八、/proc/interrupts

chen@chen-K42F:~/Downloads/4412/linux-4.14.12$ cat /proc/interrupts 
           CPU0       CPU1       
  0:         18          0   IO-APIC   2-edge      timer
  1:      25244          0   IO-APIC   1-edge      i8042
  9:         11         12   IO-APIC   9-fasteoi   acpi
 12:     207590      21487   IO-APIC  12-edge      i8042
 16:     197581     103440   IO-APIC  16-fasteoi   ehci_hcd:usb1
 17:    1087739     322896   IO-APIC  17-fasteoi   ath9k
 19:          0          0   IO-APIC  19-fasteoi   i801_smbus
 23:         15         26   IO-APIC  23-fasteoi   ehci_hcd:usb2
 24:      79350      28510   PCI-MSI 327680-edge      xhci_hcd

第一列时中断线，第二列时一个接收中断的计数器，第三列时处理这个中断的中断控制器

九、中断控制

相关文件在<asm/system.h> <asm/irq.h>中找到

9.1 禁止和激活中断

用于禁止当前处理器上的本地中断，随后再就激活他们的语句。

local_irq_disable();
/* 禁止中断 */
local_irq_enable();

9.2 进制指定中断线

对中断的状态操作之前禁止设备中断的传递，linux提供了四个接口

void disable_irq(unsigned int irq);
void disable_irq_nosync(unsigned int irq);
void enable_irq(unsigned int irq);
void synchronize_irq(unsigned int irq);

9.3 中断系统状态

通常有必要了解中断系统的状态，或者你当前是否正处于中断上下文的执行状态中。

宏irqs_disable()定义在<asm/system.h>

如果本地处理器上的中断系统被禁止，则返回非0，否则返回0

在<linux/hardirq.h>

local_irq_disable()　　禁止本地中断传递

local_irq_enable()　　激活本地中断传递

local_irq_save()　　保存本地中断传递的当前状态，然后禁止本地中断传递

local_irq_restore()　　恢复本地中断传递到给定的状态

disable_irq()　　　　禁止给定中断线，并确保该函数返回之前在该中断线上没有处理程序再运行

disable_irq_nosync()　　禁止给定中断线

enable_irq()　　　　激活给定中断线

irqs_disabled()　　　　如果本地中断传递被禁止，则返回非0，否则返回0

in_interrupt()　　　　如果在中断上下文中，则返回非0，如果在进程上下文中，则返回0

in_irq()　　　　如果当前正在执行中断处理程序，则返回非0，否则返回0