linux中断机制简单分析

驱动程序使用一个中断，一般首先要申请一个中断，申请中断的函数是

int request_irq(unsigned int irq,
        irqreturn_t (*handler) (int, void*, struct pt_regs *),
        unsigned long flags,
        const char *dev_name,
        void *dev_id);

这个函数在interrupt.h中声明，其中的参数，irq是要申请的中断号，handler是要安装的中断处理函数，flags是中断的标志，dev_name标识一个中断的名称。dev_id是将传递给中断处理函数。

简单的看一下此函数的实现和相关部分，

第一个参数irq中断号。内核中已经给我们定义好了中断号的宏，来表示中断在内核中的表示。

mini2440开发板上6个按键分别被连接到了EINT8，EINT11，EINT13，EINT14，EINT15，EINT19。芯片数据手册中，可以得知EINT8-23都共用SRCPND挂起源寄存器中的第5位，在INTPND，INTMASK等寄存器中也都在第5位。如果要进一步确定是那个中断源，则需要查看EINTPEND外部中断挂起寄存器（数据手册并没有将这个寄存器介绍写入中断一章，而在输入输出章，其他方面也感觉2440的数据手册也很不详细，很多东西都没有介绍）。

再看linux中在include\asm-arm\arch-s3c2410\Irq.h中定义了中断的宏，如下，

#define S3C2410_CPUIRQ_OFFSET     (16)
#define S3C2410_IRQ(x) ((x) + S3C2410_CPUIRQ_OFFSET)

#define IRQ_EINT0      S3C2410_IRQ(0)     /* 16 */
#define IRQ_EINT1      S3C2410_IRQ(1)
#define IRQ_EINT2      S3C2410_IRQ(2)
#define IRQ_EINT3      S3C2410_IRQ(3)
#define IRQ_EINT4t7    S3C2410_IRQ(4)     /* 20 */
#define IRQ_EINT8t23   S3C2410_IRQ(5)
#define IRQ_RESERVED6  S3C2410_IRQ(6)     /* for s3c2410 */
..................
#define IRQ_EINT4      S3C2410_IRQ(32)     /* 48 */
#define IRQ_EINT5      S3C2410_IRQ(33)
#define IRQ_EINT6      S3C2410_IRQ(34)
#define IRQ_EINT7      S3C2410_IRQ(35)
#define IRQ_EINT8      S3C2410_IRQ(36)
#define IRQ_EINT9      S3C2410_IRQ(37)
#define IRQ_EINT10     S3C2410_IRQ(38)
#define IRQ_EINT11     S3C2410_IRQ(39)
#define IRQ_EINT12     S3C2410_IRQ(40)
#define IRQ_EINT13     S3C2410_IRQ(41)
#define IRQ_EINT14     S3C2410_IRQ(42)
#define IRQ_EINT15     S3C2410_IRQ(43)

可以看到 EINT0号中断IRQ_EINT0将宏展开后就等于16，而IRQ_EINT8展开后等于52.这些数字编号是linux内核定义的中断数组的编号。linux内核将所有中断统一编号。使用irq_desc结构数组来描述中断。每个数组项对应一个中断。这样IRQ_EINT0就对应数组的第16项。irq_desc结构如下

struct irq_desc {
    irq_flow_handler_t    handle_irq;
    struct irq_chip        *chip;
    struct msi_desc        *msi_desc;
    void            *handler_data;
    void            *chip_data;
    struct irqaction    *action;    /* IRQ action list */
    unsigned int        status;        /* IRQ status */

    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;
#ifdef CONFIG_SMP
    cpumask_t        affinity;
    unsigned int        cpu;
#endif
#if defined(CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ) || defined(CONFIG_IRQBALANCE)
    cpumask_t        pending_mask;
#endif
#ifdef CONFIG_PROC_FS
    struct proc_dir_entry    *dir;
#endif
    const char        *name;
}

分析较为重要的一些成员，成员handle_irq表示当前处理函数，执行到这个irq_desc数组代表的中断时首先调用此函数，此函数再调用chip成员链接的底层函数包括清楚，屏蔽，使能等操作。做一些操作，然后调用action链表中用户注册的处理函数，request_irq函数主要任务就是在此结构中的action链表中添加定义的中断处理函数。这里有三个主要问题有待分析。一.linux中断从异常如何执行到irq_desc结构代表的数据项中，二，irq_desc数组在linux中如何建立初始化。三，request_irq实现的简略分析。

逐项简单分析，

一。linux中断从异常如何执行到irq_desc结构代表的数据项中。

在内核start_kernel(在init/main.c)中调用tarp_init（在arch/arm/kernel/Traps.c中）设置异常处理函数。函数如下

void __init trap_init(void)
{
    unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
    extern char __stubs_start[], __stubs_end[];
    extern char __vectors_start[], __vectors_end[];
    extern char __kuser_helper_start[], __kuser_helper_end[];
    int kuser_sz = __kuser_helper_end - __kuser_helper_start;

    /*
     * Copy the vectors, stubs and kuser helpers (in entry-armv.S)
     * into the vector page, mapped at 0xffff0000, and ensure these
     * are visible to the instruction stream.
     */
    memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);
    memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);
    memcpy((void *)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz);

    /*
     * Copy signal return handlers into the vector page, and
     * set sigreturn to be a pointer to these.
     */
    memcpy((void *)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
           sizeof(sigreturn_codes));

    flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
    modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);
}

中断是异常的一种，在CPU出现一样时会跳转到指定地址。ARM V4版本以后，异常向量基地址有两个一是0x00000000，一是0xffff0000。这个通过设置CP15协处理器C1寄存器中v位（bit[13]位）控制。 linux内核使用后者(?)。

CONFIG_VECTORS_BASE是一个配置项在.config文件中可以找到CONFIG_VECTORS_BASE = 0xffff0000.

？--------？

memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);

这句的目的是将异常向量代码部分，复制到vectors地址处。

__vectors_start标号在arch/arm/kernel/entry_asmv.S中，如下，

.globl    __vectors_start
__vectors_start:
    swi    SYS_ERROR0
    b    vector_und + stubs_offset
    ldr    pc, .LCvswi + stubs_offset
    b    vector_pabt + stubs_offset
    b    vector_dabt + stubs_offset
    b    vector_addrexcptn + stubs_offset
    b    vector_irq + stubs_offset
    b    vector_fiq + stubs_offset
    .globl    __vectors_end
__vectors_end:

这就是异常向量表，b vector_irq + stubs_offset表示跳到中断异常，vector_irq是一个定义的宏vector_stub扩展出的程序标识的，下面看一下这个宏并简要注释。

.macro    vector_stub, name, mode, correction=0
    @name:名字 mode:那种异常模式 correction:返回地址需减去的长度
    .align    5

vector_\name:
    .if \correction
    sub    lr, lr, #\correction
    @不同的异常预读取的指令到异常跳转的长度不同，返回地址应减去#\correction
    .endif

    @
    @ Save r0, lr_<exception> (parent PC) and spsr_<exception>
    @ (parent CPSR)
    @
    stmia    sp, {r0, lr}        @ save r0, lr to point sp
    mrs    lr, spsr            @spsr存入lr
    str    lr, [sp, #8]        @ save spsr，将lr存入sp+8地址，sp不变
                                @+8因为要存到r0，r1后
    @
    @ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled.
    @将spsr设置成svc模式，用于将来
    mrs    r0, cpsr
    eor    r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE) @SVC_MODE：0x13，异或
    msr    spsr_cxsf, r0     @spsr_cxsf指整个spsr，它可以单独操作c,x,s,f

    @
    @ the branch table must immediately follow this code @次级跳转表要紧跟其后。
    @
    and    lr, lr, #0x0f    @保留低4位
    mov    r0, sp        @栈指针保存到r0
    ldr    lr, [pc, lr, lsl #2]    @ lr = (lr<<2)+pc，现在lr中就仅保存的就是中断前cpu模式代码
                                    @右移两位就是跳转到下面对应次级表的偏移地址
    movs    pc, lr            @ branch to handler in SVC mode
    .endm
再看一个使用这个宏的实例
__stubs_start
    ......
    vector_stub    irq, IRQ_MODE, 4    @用上述宏定义了个irq的次级跳转处理程序

    .long    __irq_usr            @  0 (USR_26 / USR_32) 用户模式的中断
    .long    __irq_invalid            @  1 (FIQ_26 / FIQ_32)
    .long    __irq_invalid            @  2 (IRQ_26 / IRQ_32)
    .long    __irq_svc            @  3 (SVC_26 / SVC_32) 管理模式的中断
    .long    __irq_invalid            @  4
    .long    __irq_invalid            @  5
    ......
__stubs_end
.....

看回trap_init函数

memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);

这句就中的__stubs_start到__stubs_end的区域就是调用上面分析的宏展开的跳转代码的地方，将这一段地址复制 的跳转表代码段复制到vectors + 0x200地址。

关于stubs_offset的分析，

.equ stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start

引用网上摘抄的一段话，

当汇编器看到B指令后会把要跳转的标签转化为相对于当前PC的偏移量（±32M）写入指令码。从上面的代码可以看到中断向量表和stubs都发生了代码搬移，所以如果中断向量表中仍然写成b vector_irq，那么实际执行的时候就无法跳转到搬移后的vector_irq处，因为指令码里写的是原来的偏移量，所以需要把指令码中的偏移量写成搬移后的。我们把搬移前的中断向量表中的irq入口地址记irq_PC,它在中断向量表的偏移量就是irq_PC-vectors_start, vector_irq在stubs中的偏移量是vector_irq-stubs_start，这两个偏移量在搬移前后是不变的。搬移后 vectors_start在0xffff0000处，而stubs_start在0xffff0200处，所以搬移后的vector_irq相对于中断 向量中的中断入口地址的偏移量就是，200+vector_irq在stubs中的偏移量再减去中断入口在向量表中的偏移量，即200+ vector_irq-stubs_start-irq_PC+vectors_start = (vector_irq-irq_PC) + vectors_start+200-stubs_start,对于括号内的值实际上就是中断向量表中写的vector_irq，减去irq_PC是由汇编器完成的，而后面的 vectors_start+200-stubs_start就应该是stubs_offset，实际上在entry-armv.S中也是这样定义的。

由此可见

b vector_irq + stubs_offset 将跳转到__irq_usr或__irq_svc的分支。

__irq_usr的分支会继续处理，会保存寄存器等，然后跳转到真正的处理程序，摘取片段

__irq_usr:
    usr_entry    @一个宏

#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
    bl    trace_hardirqs_off
#endif
    get_thread_info tsk
#ifdef CONFIG_PREEMPT
    ldr    r8, [tsk, #TI_PREEMPT]        @ get preempt count
    add    r7, r8, #1            @ increment it
    str    r7, [tsk, #TI_PREEMPT]
#endif

    irq_handler    @中断处理函数(这是一个宏)，
#ifdef CONFIG_PREEMPT
    ldr    r0, [tsk, #TI_PREEMPT]
    str    r8, [tsk, #TI_PREEMPT]
    teq    r0, r7
    strne    r0, [r0, -r0]
.......

代码中的irq_handler这个是个宏就在entry_asmv.S文件开始处，会调用到asm_do_IRQ，

.macro    irq_handler
    get_irqnr_preamble r5, lr
1:    get_irqnr_and_base r0, r6, r5, lr @此宏获得中断号（这个宏是具体体系芯片相关的实现）
?--------?

    movne    r1, sp
    @
    @ routine called with r0 = irq number, r1 = struct pt_regs *
    @
    adrne    lr, 1b
    bne    asm_do_IRQ

以一款芯片为例的get_irqnr_and_base

.macro    get_irqnr_and_base, irqnr, irqstat, base, tmp

        mov    \base, #AIC_BA //中断寄存器组起始地址

        ldr    \irqnr, [ \base, #AIC_IPER] //保存产生中断优先级的寄存器
        ldr    \irqnr, [ \base, #AIC_ISNR] //保存产生的中断号的寄存器
        cmp    \irqnr, #0        //中断号和0比较，是0说明没有中断，是个误报的中断
        streq \tmp, [\base, #AIC_EOSCR]    @ fix the fake interrupt issue
                        //AIC_EOSCR寄存器写入任何值，表示中断服务程序已经结束
    .endm

asm_do_IRQ(在arch/arm/kernel/irq.c中)，

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;

    /*
     * Some hardware gives randomly wrong interrupts. Rather
     * than crashing, do something sensible.
     */
    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);
}

在这个函数中会看到irq_desc变量，desc_handle_irq(irq, desc);则会调用到相应的中断，所以到这里我们已经分析了第一个问题，到了要分析第二个问题的时候了，

二，irq_desc数组在linux中如何建立初始化

irq_desc数组的的定义在kernel/irq/handler.c中，

struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS] __cacheline_aligned_in_smp = {
    [0 ... NR_IRQS-1] = {
        .status = IRQ_DISABLED,
        .chip = &no_irq_chip,
        .handle_irq = handle_bad_irq,
        .depth = 1,
        .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(irq_desc->lock),
#ifdef CONFIG_SMP
        .affinity = CPU_MASK_ALL
#endif
    }
};

我们可以结合文章开始处提到的irq_desc结构体的定义，看下都在定义时初始化了那些成员。进一步，在inin/main.c的start_kernel中，也即trap_init调用的后面会调用的init_IRQ(arch/arm/kernel/irq.c).此函数初始化irq_desc数组中一些成员，如下，

void __init init_IRQ(void)
{
    int irq;

    for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++)        (1)
        irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;

    init_arch_irq(); (2)
}

(1)将irq_desc数组中所有成员状态加上|= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;

(2)调用相应体系的中断初始化函数，(函数的关联在machine_desc结构中的init_irq成员)，在这里它实际指向s3c24xx_init_irq(arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c)函数。

这个函数先设置寄存器清除所有中断。然后设置各个中断，我们以IRQ_EINT4到IRQ_EINT23为例。

for (irqno = IRQ_EINT4; irqno <= IRQ_EINT23; irqno++) {
    irqdbf("registering irq %d (extended s3c irq)\n", irqno);
    set_irq_chip(irqno, &s3c_irqext_chip);    (1)
    set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq);
    set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID);
}

(1)set_irq_chip(irqno, &s3c_irqext_chip),在kernel\irq\Chip.c中。这个函数的作用相当于desc[irqno].chip = &s3c_irqext_chip.这里贴出struct irq_chip的定义的注释。

/**
 * struct irq_chip - hardware interrupt chip descriptor
 *
 * @name:        name for /proc/interrupts
 * @startup:        start up the interrupt (defaults to ->enable if NULL)
 * @shutdown:        shut down the interrupt (defaults to ->disable if NULL)
 * @enable:        enable the interrupt (defaults to chip->unmask if NULL)
 * @disable:        disable the interrupt (defaults to chip->mask if NULL)
 * @ack:        start of a new interrupt
 * @mask:        mask an interrupt source
 * @mask_ack:        ack and mask an interrupt source
 * @unmask:        unmask an interrupt source
 * @eoi:        end of interrupt - chip level
 * @end:        end of interrupt - flow level
 * @set_affinity:    set the CPU affinity on SMP machines
 * @retrigger:        resend an IRQ to the CPU
 * @set_type:        set the flow type (IRQ_TYPE_LEVEL/etc.) of an IRQ
 * @set_wake:        enable/disable power-management wake-on of an IRQ
 *
 * @release:        release function solely used by UML
 * @typename:        obsoleted by name, kept as migration helper
 */

可以看出这个结构体封装了一些底层的操作函数。我们再继续看s3c_irqext_chip的定义，

static struct irq_chip s3c_irqext_chip = {
    .name        = "s3c-ext",
    .mask        = s3c_irqext_mask,    //(1)
    .unmask        = s3c_irqext_unmask,
    .ack        = s3c_irqext_ack,
    .set_type    = s3c_irqext_type,
    .set_wake    = s3c_irqext_wake
};

(1)看一个示例，屏蔽此中断号对应的中断屏蔽寄存器,s3c_irqext_mask,如下，

s3c_irqext_mask(unsigned int irqno)
{
    unsigned long mask;

    irqno -= EXTINT_OFF;

    mask = __raw_readl(S3C24XX_EINTMASK);    //读取EINTMASK寄存器的值 (?)
?------------?
    mask |= ( 1UL << irqno);
    __raw_writel(mask, S3C24XX_EINTMASK);
}

初始化里所有的irq_desc数组成员,第二个问题差不多就分析到这里,在看第三个问题之前，再看一下asm_do_IRQ函数中，desc_handle_irq(irq, desc)这句，它调用desc中的handler_irq函数。在这里说明一下像EINT8-EINT23这样的中断，asm_do_IRQ函数中irq中断号只有32个取值。所以如果是EINT8引起的中断，在asm_do_IRQ通过寄存器INTOFFSET寄存器，在这里首先只能确定到是IRQ_EINT8t32，进而再调用irq_desc[IRQ_EINT8t32].handler_irq。这个函数设置为s3c_irq_demux_extint8，它可以进一步通过寄存器EITPEND等，确定是EINT8引起的中断，软后重新计算中断号，调用新计算出的中断号的hanlde_irq函数。

三。request_irq实现的简略分析

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;

    select_smp_affinity(irq);
    retval = setup_irq(irq, action);

函数申请了struct irqaction的一个结构体，在irq_desc数组成员中包含此结构体，此结构体可以构成一个链表。即一个irq_desc数组成员可以关联上多个action。

setup_irq(irq, action);函数会检查相应的条件，然后将新申请的action结构添加到此链表中。然后会调用chip->startup等函数来使能中断。总的来数request_irq函数的任务就是，

1.将新的中断处理函数链接到irq_desc数组相应中断号成员的action链表中。

2.设置中断触发方式等

3.中断被使能，此时中断已经可以使用了。