3、内核的中断处理
3.1、中断处理入口
由上节可知，中断向量的对应的处理程序位于interrupt数组中，下面来看看interrupt：
341 .data #数据段
342 ENTRY(interrupt)
343 .text
344
345 vector=0
346 ENTRY(irq_entries_start)
347 .rept NR_IRQS #348-354行重复NR_IRQS次
348 ALIGN
349 1: pushl $vector-256 #vector在354行递增
350 jmp common_interrupt #所有的外部中断处理函数的统一部分，以后再讲述
351 .data
352 .long 1b #存储着指向349行的地址，但是随着348行-354被gcc展开，每次的值都不同
353 .text
354 vector=vector+1
355 .endr #与347行呼应
356
357 ALIGN
#公共处理函数
common_interrupt:
SAVE_ALL /*寄存器值入栈*/
movl %esp,%eax /*栈顶指针保存到eax*/
call do_IRQ /*处理中断*/
jmp ret_from_intr /*从中断返回*/
分析如下：
首先342行和352行都处于.data段，虽然看起来它们是隔开的，但实际上被gcc安排在了连续的数据段内存 中，同理在代码段内存中，354行与350行的指令序列也是连续存储的。另外，348-354行会被gcc展开NR_IRQS次，因此每次352行都会存 储一个新的指针，该指针指向每个349行展开的新对象。最后在代码段内存中连续存储了NR_IRQS个代码片断，首地址由 irq_entries_start指向。而在数据段内存中连续存储了NR_IRQS个指针，首址存储在interrupt这个全局变量中。这样，例如 IRQ号是0 (从init_IRQ()调用，它对应的中断向量是FIRST_EXTERNAL_VECTOR)的中断通过中断门后会触发 interrput[0]，从而执行：
pushl 0-256
jmp common_interrupt
的代码片断，进入到Linux内核安排好的中断入口路径。
3.2、数据结构
3.2.1、IRQ描述符
Linux支持多个外设共享一个IRQ，同时，为了维护中断向量和中断服务例程(ISR)之间的映射关系，Linux用一个irq_desc_t数据结构来描述，叫做IRQ描述符。除了分配给异常的
32个向量外，其余224(NR_IRQS)个中断向量对应的IRQ构成一个数组irq_desc[]，定义如下：
//位于linux/irq.h
typedef struct irq_desc {
unsigned int status; /* IRQ status */
hw_irq_controller *handler;
struct irqaction *action; /* IRQ action list */
unsigned int depth; /* nested irq disables */
unsigned int irq_count; /* For detecting broken interrupts */
unsigned int irqs_unhandled;
spinlock_t lock;
} ____cacheline_aligned irq_desc_t;
//IRQ描述符表
extern irq_desc_t irq_desc [NR_IRQS];
“____cacheline_aligned”表示这个数据结构的存放按32字节（高速缓存行的大小）进行对齐，以便于将来存放在高速缓存并容易存取。
status：描述IRQ中断线状态，在irq.h中定义。如下：
#define IRQ_INPROGRESS 1 /* 正在执行这个IRQ的一个处理程序*/
#define IRQ_DISABLED 2 /* 由设备驱动程序已经禁用了这条IRQ中断线 */
#define IRQ_PENDING 4 /* 一个IRQ已经出现在中断线上，且被应答，但还没有为它提供服务 */
#define IRQ_REPLAY 8 /* 当Linux重新发送一个已被删除的IRQ时 */
#define IRQ_AUTODETECT 16 /* 当进行硬件设备探测时，内核使用这条IRQ中断线 */
#define IRQ_WAITING 32 /*当对硬件设备进行探测时，设置这个状态以标记正在被测试的irq */
#define IRQ_LEVEL 64 /* IRQ level triggered */
#define IRQ_MASKED 128 /* IRQ masked - shouldn't be seen again */
#define IRQ_PER_CPU 256 /* IRQ is per CPU */
handler：指向hw_interrupt_type描述符，这个描述符是对中断控制器的描述。下面有描述。
action：指向一个单向链表的指针，这个链表就是对中断服务例程进行描述的irqaction结构。下面有描述。
depth：如果启用这条IRQ中断线，depth则为0，如果禁用这条IRQ中断线不止一次，则为一个正数。每当调用一次disable_irq()，该函数就对这个域的值加1；如果depth等于0，该函数就禁用这条IRQ中断线。相反，每当调用enable_irq()函数时，该函数就对这个域的值减1；如果depth变为0，该函数就启用这条IRQ中断线。
lock：保护该数据结构的自旋锁。
IRQ描述符的初始化：
//位于arch/i386/kernel/i8259.c
void __init init_ISA_irqs (void)
{
int i;
#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
init_bsp_APIC();
#endif
//初始化8259A
init_8259A(0);
//IRQ描述符的初始化
for (i = 0; i < NR_IRQS; i++) {
irq_desc[i].status = IRQ_DISABLED;
irq_desc[i].action = NULL;
irq_desc[i].depth = 1;
if (i < 16) {
/*
* 16 old-style INTA-cycle interrupts:
*/
irq_desc[i].handler = &i8259A_irq_type;
} else {
/*
* 'high' PCI IRQs filled in on demand
*/
irq_desc[i].handler = &no_irq_type;
}
}
}
从这段程序可以看出，初始化时，让所有的中断线都处于禁用状态；每条中断线上还没有任何中断服务例程(action为0）；因为中断线被禁用，因此depth为1；对中断控制器的描述分为两种情况，一种就是通常所说的8259A，另一种是其它控制器。
3.2.2、中断控制器描述符hw_interrupt_type
这个描述符包含一组指针，指向与特定的可编程中断控制器电路（PIC）打交道的低级I/O例程，定义如下：
//位于linux/irq.h
struct hw_interrupt_type {
const char * typename;
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 (*end)(unsigned int irq);
void (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest);
};
typedef struct hw_interrupt_type hw_irq_controller;
Linux除了支持常见的8259A芯片外，也支持其他的PIC电路，如SMP IO-APIC、PIIX4的内部 8259 PIC及 SGI的Visual Workstation Cobalt (IO-)APIC。8259A的描述符如下：
//位于arch/i386/kernel/i8259.c
static struct hw_interrupt_type i8259A_irq_type = {
"XT-PIC",
startup_8259A_irq,
shutdown_8259A_irq,
enable_8259A_irq,
disable_8259A_irq,
mask_and_ack_8259A,
end_8259A_irq,
NULL
};
在这个结构中的第一个域“XT-PIC”是一个名字。接下来，8259A_irq_type包含的指针指向五个不同的函数，这些函数就是对PIC编程的函数。前两个函数分别启动和关闭这个芯片的中断线。但是，在使用8259A芯片的情况下，这两个函数的作用与后两个函数是一样的，后两个函数是启用和禁用中断线。mask_and_ack_8259A函数通过把适当的字节发往8259A I/O端口来应答所接收的IRQ。end_8259A_irq在IRQ的中断处理程序结束时被调用。
3.2.3、中断服务例程描述符irqaction
为了处理多个设备共享一个IRQ，Linux中引入了irqaction数据结构。定义如下：
//位于linux/interrupt.h
struct irqaction {
irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *);
unsigned long flags;
cpumask_t mask;
const char *name;
void *dev_id;
struct irqaction *next;
int irq;
struct proc_dir_entry *dir;
};
handler：指向一个具体I/O设备的中断服务例程。这是允许多个设备共享同一中断线的关键域。
flags：用一组标志描述中断线与I/O设备之间的关系。
SA_INTERRUPT
中断处理程序必须以禁用中断来执行
SA_SHIRQ
该设备允许其中断线与其他设备共享。
SA_SAMPLE_RANDOM
可以把这个设备看作是随机事件发生源；因此，内核可以用它做随机数产生器。（用户可以从/dev/random 和/dev/urandom设备文件中取得随机数而访问这种特征）
SA_PROBE
内核在执行硬件设备探测时正在使用这条中断线。
name：I/O设备名（通过读取/proc/interrupts文件，可以看到,在列出中断号时也显示设备名。）
dev_id：指定I/O设备的主设备号和次设备号。
next：指向irqaction描述符链表的下一个元素。共享同一中断线的每个硬件设备都有其对应的中断服务例程，链表中的每个元素就是对相应设备及中断服务例程的描述。
irq：IRQ线。
3.2.4、中断服务例程(Interrupt Service Routine)
在Linux中，中断服务例程和中断处理程序(Interrupt Handler)是两个不同的概念。可以这样认为，中断处理程序相当于某个中断向量的总处理程序，它与中断描述表(IDT)相关；中断服务例程(ISR)在中断处理过程被调用，它与IRQ描述符相关，一般来说，它是设备驱动的一部分。
(1) 注册中断服务例程
中断服务例程是硬件驱动的组成部分，如果设备要使用中断，相应的驱动程序在初始化的过程中可以通过调用request_irq函数注册中断服务例程。
//位于kernel/irq/manage.c
/*irq：IRQ号
**handler：中断服务例程
**irqflags:SA_SHIRQ,SA_INTERRUPT或SA_SAMPLE_RANDOM
**devname:设备名称,这些名称会被/proc/irq和/proc/interrupt使用
**dev_id：主要用于设备共享
*/
int request_irq(unsigned int irq,
irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),
unsigned long irqflags, const char * devname, void *dev_id)
{
struct irqaction * action;
int retval;
/*
* Sanity-check: shared interrupts must pass in a real dev-ID,
* otherwise we'll have trouble later trying to figure out
* which interrupt is which (messes up the interrupt freeing
* logic etc).
*/
if ((irqflags & SA_SHIRQ) && !dev_id)
return -EINVAL;
if (irq >= NR_IRQS)
return -EINVAL;
if (!handler)
return -EINVAL;
//分配数据结构空间
action = kmalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_ATOMIC);
if (!action)
return -ENOMEM;
action->handler = handler;
action->flags = irqflags;
cpus_clear(action->mask);
action->name = devname;
action->next = NULL;
action->dev_id = dev_id;
//调用setup_irq完成真正的注册，驱动程序也可以调用它来完成注册
retval = setup_irq(irq, action);
if (retval)
kfree(action);
return retval;
}
来看实时时钟初始化函数如何使用request_irq()：
//位于driver/char/rtc.c
static int __init rtc_init(void)
{
request_irq(RTC_IRQ, rtc_int_handler_ptr, SA_INTERRUPT, "rtc", NULL);
}
再看看时钟中断初始化函数：
//位于arch/i386/mach_default/setup.c
static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, CPU_MASK_NONE, "timer", NULL, NULL};
//由time_init()调用
void __init time_init_hook(void)
{
setup_irq(0, &irq0);
}
3.3、中断处理流程
整个流程如下：
所有I/O中断处理函数的过程如下：
(1)把IRQ值和所有寄存器值压入内核栈；
(2) 给与IRQ中断线相连的中断控制器发送一个应答，这将允许在这条中断线上进一步发出中断请求；
(3)执行共享这个IRQ的所有设备的中断服务例程（ISR）；
(4)跳到ret_from_intr()处结束。
3.3.1、保存现场与恢复现场
中断处理程序做的第一件事就是保存现场，由宏SAVE_ALL(位于entry.S中)完成：
#define SAVE_ALL \
cld; \
pushl %es; \
pushl %ds; \
pushl %eax; \
pushl %ebp; \
pushl %edi; \
pushl %esi; \
pushl %edx; \
pushl %ecx; \
pushl %ebx; \
movl $(__USER_DS), %edx; \
movl %edx, %ds; \
movl %edx, %es;
当内核执行SAVE_ALL后，内核栈中的内容如下：
恢复现场由宏RESTORE_ALL完成
#define RESTORE_ALL \
RESTORE_REGS \
addl $4, %esp; \
1: iret; \
.section .fixup,"ax"; \
2: sti; \
movl $(__USER_DS), %edx; \
movl %edx, %ds; \
movl %edx, %es; \
movl $11,%eax; \
call do_exit; \
.previous; \
.section __ex_table,"a";\
.align 4; \
.long 1b,2b; \
.previous
3.3.2、do_IRQ()函数
该函数的大致内容如下：
//arch/i386/kernel/irq.c
fastcall unsigned int do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
/* high bits used in ret_from_ code */
//取得中断号
int irq = regs->orig_eax & 0xff;
//增加代表嵌套中断数量的计数器的值,该值保存在current->thread_info->preempt_count
irq_enter();
__do_IRQ(irq, regs);
//减中断计数器preempt_count的值,检查是否有软中断要处理
irq_exit();
}
结构体pt_regs如下，位于inclue/asm-i386/ptrace.h：
struct pt_regs {
long ebx;
long ecx;
long edx;
long esi;
long edi;
long ebp;
long eax;
int xds;
int xes;
long orig_eax;
long eip;
int xcs;
long eflags;
long esp;
int xss;
};
与内核栈相比，是内核栈中内容的一致。
3.3.3、__do_IRQ()函数
该函数的内容如下：
//位于kernel/irq/handle.c
fastcall unsigned int __do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
{
irq_desc_t *desc = irq_desc + irq;
struct irqaction * action;
unsigned int status;
kstat_this_cpu.irqs[irq]++;
if (desc->status & IRQ_PER_CPU) {
irqreturn_t action_ret;
/*
* No locking required for CPU-local interrupts:
*/
//确认中断
desc->handler->ack(irq);
action_ret = handle_IRQ_event(irq, regs, desc->action);
if (!noirqdebug)
note_interrupt(irq, desc, action_ret);
desc->handler->end(irq);
return 1;
}
/*加自旋锁.对于多CPU系统,这是必须的,因为同类型的其它中断可能产生,并被其它的CPU处理,
**没有自旋锁,IRQ描述符将被多个CPU同时访问.
*/
spin_lock(&desc->lock);
/*确认中断.对于8259A PIC,由mask_and_ack_8259A()完成确认,并禁用当前IRQ线.
**屏蔽中断是为了确保该中断处理程序结束前,CPU不会又接受这种中断.虽然,CPU在处理中断会自动
**清除eflags中的IF标志,但是在执行中断服务例程前,可能重新激活本地中断.见handle_IRQ_event.
*/
/*在多处理器上,应答中断依赖于具体的中断类型.可能由ack方法做,也可能由end方法做.不管怎样,在中断处理结束
*前,本地APIC不再接收同样的中断,尽管这种中断可以被其它CPU接收.
*/
desc->handler->ack(irq);
/*
* REPLAY is when Linux resends an IRQ that was dropped earlier
* WAITING is used by probe to mark irqs that are being tested
*/
//清除IRQ_REPLAY和IRQ_WAITING标志
status = desc->status & ~(IRQ_REPLAY | IRQ_WAITING);
/* IRQ_PENDING表示一个IRQ已经出现在中断线上，且被应答，但还没有为它提供服务 */
status |= IRQ_PENDING; /* we _want_ to handle it */
/*
* If the IRQ is disabled for whatever reason, we cannot
* use the action we have.
*/
action = NULL;
/*现在开始检查是否真的需要处理中断.在三种情况下什么也不做.
*(1)IRQ_DISABLED被设置.即使在相应的IRQ线被禁止的情况下,do_IRQ()也可能执行.
*(2)IRQ_INPROGRESS被设置时,在多CPU系统中,表示其它CPU正在处理同样中断的前一次发生.Linux中,同类型
*中断的中断服务例程由同一个CPU处理.这样使得中断服务例程不必是可重入的(在同一CPU上串行执行).
*
*(3)action==NULL.此时,直接跳到out处执行.
*/
if (likely(!(status & (IRQ_DISABLED | IRQ_INPROGRESS)))) {
action = desc->action;
//清除IRQ_PENDING标志
status &= ~IRQ_PENDING; /* we commit to handling */
/*表示当前CPU正在处理该中断,其它CPU不应该处理同样的中断,而应该让给本CPU处理.一旦设置
*IRQ_INPROGRESS,其它CPU即使进行do_IRQ，也不会执行该程序段,则action==NULL,则其它CPU什么也不做.
*当调用handle_IRQ_event执行中断服务例程时,由于释放了自旋锁,其它CPU可能接受到同类型的中断(本CPU
*不会接受同类型中断),而进入do_IRQ(),并设置IRQ_PENDING.
*/
status |= IRQ_INPROGRESS; /* we are handling it */
}
desc->status = status;
/*
* If there is no IRQ handler or it was disabled, exit early.
* Since we set PENDING, if another processor is handling
* a different instance of this same irq, the other processor
* will take care of it.
*/
if (unlikely(!action))
goto out;
/*
* Edge triggered interrupts need to remember
* pending events.
* This applies to any hw interrupts that allow a second
* instance of the same irq to arrive while we are in do_IRQ
* or in the handler. But the code here only handles the _second_
* instance of the irq, not the third or fourth. So it is mostly
* useful for irq hardware that does not mask cleanly in an
* SMP environment.
*/
for (;;) {
irqreturn_t action_ret;
//释放自旋锁
spin_unlock(&desc->lock);
action_ret = handle_IRQ_event(irq, regs, action);
//加自旋锁
spin_lock(&desc->lock);
if (!noirqdebug)
note_interrupt(irq, desc, action_ret);
/*如果此时IRQ_PENDING处于清除状态,说明中断服务例程已经执行完毕,退出循环.反之,说明在执行中断服务例程时,
*其它CPU进入过do_IRQ,并设置了IRQ_PENDING.也就是说其它CPU收到了同类型的中断.此时,应该清除
*IRQ_INPROGRESS,并重新循环,执行中断服务例程,处理其它CPU收到的中断.
*/
if (likely(!(desc->status & IRQ_PENDING)))
break;
desc->status &= ~IRQ_PENDING;
}
/*所有中断处理完毕,则清除IRQ_INPROGRESS*/
desc->status &= ~IRQ_INPROGRESS;
out:
/*
* The ->end() handler has to deal with interrupts which got
* disabled while the handler was running.
*/
//结束中断处理.对end_8259A_irq()仅仅是重新激活中断线.
/*对于多处器,end应答中断(如果ack方法还没有做的话)
*/
desc->handler->end(irq);
//最后,释放自旋锁,
spin_unlock(&desc->lock);
return 1;
}
3.3.4、handle_IRQ_event
//kernel/irq/handle.c
fastcall int handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct pt_regs *regs,
struct irqaction *action)
{
int ret, retval = 0, status = 0;
//开启本地中断,对于单CPU,仅仅是sti指令
if (!(action->flags & SA_INTERRUPT))
local_irq_enable();
//依次调用共享该中断向量的服务例程
do {
//调用中断服务例程
ret = action->handler(irq, action->dev_id, regs);
if (ret == IRQ_HANDLED)
status |= action->flags;
retval |= ret;
action = action->next;
} while (action);
if (status & SA_SAMPLE_RANDOM)
add_interrupt_randomness(irq);
//关本地中断,对于单CPU,为cli指令
local_irq_disable();
return retval;
}
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