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分类: LINUX

2015-08-24 18:27:20

本文主要内容:硬中断 / 软中断的原理和实现

内核版本:2.6.37

Author:zhangskd @ csdn blog

 

概述

 

从本质上来讲,中断是一种电信号,当设备有某种事件发生时,它就会产生中断,通过总线把电信号发送给中断控制器。

如果中断的线是激活的,中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事,

跳到中断处理程序的入口点,进行中断处理。

 

(1) 硬中断

由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。比如当网卡收到数据包

的时候,就会发出一个中断。我们通常所说的中断指的是硬中断(hardirq)。

 

(2) 软中断

为了满足实时系统的要求,中断处理应该是越快越好。linux为了实现这个特点,当中断发生的时候,硬中断处理那些短时间

就可以完成的工作,而将那些处理事件比较长的工作,放到中断之后来完成,也就是软中断(softirq)来完成。

 

(3) 中断嵌套

Linux下硬中断是可以嵌套的,但是没有优先级的概念,也就是说任何一个新的中断都可以打断正在执行的中断,但同种中断

除外。软中断不能嵌套,但相同类型的软中断可以在不同CPU上并行执行。

 

(4) 软中断指令

int是软中断指令。

中断向量表是中断号和中断处理函数地址的对应表。

int n - 触发软中断n。相应的中断处理函数的地址为:中断向量表地址 + 4 * n。

 

(5)硬中断和软中断的区别

软中断是执行中断指令产生的,而硬中断是由外设引发的。

硬中断的中断号是由中断控制器提供的,软中断的中断号由指令直接指出,无需使用中断控制器。

硬中断是可屏蔽的,软中断不可屏蔽。

硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务,这样程序执行时才不会等待较长时间,称为上半部。

软中断处理硬中断未完成的工作,是一种推后执行的机制,属于下半部。 

 

开关

 

(1) 硬中断的开关

简单禁止和激活当前处理器上的本地中断:

local_irq_disable();

local_irq_enable();

保存本地中断系统状态下的禁止和激活:

unsigned long flags;

local_irq_save(flags);

local_irq_restore(flags);

 

(2) 软中断的开关

禁止下半部,如softirq、tasklet和workqueue等:

local_bh_disable();

local_bh_enable();

需要注意的是,禁止下半部时仍然可以被硬中断抢占。

 

(3) 判断中断状态

#define in_interrupt() (irq_count()) // 是否处于中断状态(硬中断或软中断)

#define in_irq() (hardirq_count()) // 是否处于硬中断

#define in_softirq() (softirq_count()) // 是否处于软中断

 

硬中断

 

(1) 注册中断处理函数

注册中断处理函数:

  1. /** 
  2.  * irq: 要分配的中断号 
  3.  * handler: 要注册的中断处理函数 
  4.  * flags: 标志(一般为0) 
  5.  * name: 设备名(dev->name) 
  6.  * dev: 设备(struct net_device *dev),作为中断处理函数的参数 
  7.  * 成功返回0 
  8.  */  
  9.   
  10. int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,   
  11.     const char *name, void *dev);  


 

中断处理函数本身:

  1. typedef irqreturn_t (*irq_handler_t) (intvoid *);  
  2.   
  3. /** 
  4.  * enum irqreturn 
  5.  * @IRQ_NONE: interrupt was not from this device 
  6.  * @IRQ_HANDLED: interrupt was handled by this device 
  7.  * @IRQ_WAKE_THREAD: handler requests to wake the handler thread 
  8.  */  
  9. enum irqreturn {  
  10.     IRQ_NONE,  
  11.     IRQ_HANDLED,  
  12.     IRQ_WAKE_THREAD,  
  13. };  
  14. typedef enum irqreturn irqreturn_t;  
  15. #define IRQ_RETVAL(x) ((x) != IRQ_NONE)  


 

(2) 注销中断处理函数

  1. /** 
  2.  * free_irq - free an interrupt allocated with request_irq 
  3.  * @irq: Interrupt line to free 
  4.  * @dev_id: Device identity to free 
  5.  * 
  6.  * Remove an interrupt handler. The handler is removed and if the 
  7.  * interrupt line is no longer in use by any driver it is disabled. 
  8.  * On a shared IRQ the caller must ensure the interrupt is disabled 
  9.  * on the card it drives before calling this function. The function does 
  10.  * not return until any executing interrupts for this IRQ have completed. 
  11.  * This function must not be called from interrupt context. 
  12.  */  
  13.   
  14. void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);  


 

软中断

 

(1) 定义

软中断是一组静态定义的下半部接口,可以在所有处理器上同时执行,即使两个类型相同也可以。

但一个软中断不会抢占另一个软中断,唯一可以抢占软中断的是硬中断。

 

软中断由softirq_action结构体表示:

  1. struct softirq_action {  
  2.     void (*action) (struct softirq_action *); /* 软中断的处理函数 */  
  3. };  


 

目前已注册的软中断有10种,定义为一个全局数组:

  1. static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];  
  2.   
  3. enum {  
  4.     HI_SOFTIRQ = 0/* 优先级高的tasklets */  
  5.     TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器的下半部 */  
  6.     NET_TX_SOFTIRQ, /* 发送网络数据包 */  
  7.     NET_RX_SOFTIRQ, /* 接收网络数据包 */  
  8.     BLOCK_SOFTIRQ, /* BLOCK装置 */  
  9.     BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,  
  10.     TASKLET_SOFTIRQ, /* 正常优先级的tasklets */  
  11.     SCHED_SOFTIRQ, /* 调度程序 */  
  12.     HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高分辨率定时器 */  
  13.     RCU_SOFTIRQ, /* RCU锁定 */  
  14.     NR_SOFTIRQS /* 10 */  
  15. };  


 

(2) 注册软中断处理函数

  1. /** 
  2.  * @nr: 软中断的索引号 
  3.  * @action: 软中断的处理函数 
  4.  */  
  5.   
  6. void open_softirq(int nr, void (*action) (struct softirq_action *))  
  7. {  
  8.     softirq_vec[nr].action = action;  
  9. }  


例如:

open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);

open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

 

(3) 触发软中断 

调用raise_softirq()来触发软中断。

  1. void raise_softirq(unsigned int nr)  
  2. {  
  3.     unsigned long flags;  
  4.     local_irq_save(flags);  
  5.     raise_softirq_irqoff(nr);  
  6.     local_irq_restore(flags);  
  7. }  
  8.   
  9. /* This function must run with irqs disabled */  
  10. inline void rasie_softirq_irqsoff(unsigned int nr)  
  11. {  
  12.     __raise_softirq_irqoff(nr);  
  13.   
  14.     /* If we're in an interrupt or softirq, we're done 
  15.      * (this also catches softirq-disabled code). We will 
  16.      * actually run the softirq once we return from the irq 
  17.      * or softirq. 
  18.      * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we 
  19.      * schedule the softirq soon. 
  20.      */  
  21.     if (! in_interrupt()) /* 如果不处于硬中断或软中断 */  
  22.         wakeup_softirqd(void); /* 唤醒ksoftirqd/n进程 */  
  23. }  



Percpu变量irq_cpustat_t中的__softirq_pending是等待处理的软中断的位图,通过设置此变量

即可告诉内核该执行哪些软中断。

  1. static inline void __rasie_softirq_irqoff(unsigned int nr)  
  2. {  
  3.     trace_softirq_raise(nr);  
  4.     or_softirq_pending(1UL << nr);  
  5. }  
  6.   
  7. typedef struct {  
  8.     unsigned int __softirq_pending;  
  9.     unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */  
  10. } irq_cpustat_t;  
  11.   
  12. irq_cpustat_t irq_stat[];  
  13. #define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)  
  14. #define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))  
  15. #define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)  


 

唤醒ksoftirqd内核线程处理软中断。

  1. static void wakeup_softirqd(void)  
  2. {  
  3.     /* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */  
  4.     struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);  
  5.   
  6.     if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)  
  7.         wake_up_process(tsk);  
  8. }  


 

在下列地方,待处理的软中断会被检查和执行:

1. 从一个硬件中断代码处返回时

2. 在ksoftirqd内核线程中

3. 在那些显示检查和执行待处理的软中断的代码中,如网络子系统中

 

而不管是用什么方法唤起,软中断都要在do_softirq()中执行。如果有待处理的软中断,

do_softirq()会循环遍历每一个,调用它们的相应的处理程序。

在中断处理程序中触发软中断是最常见的形式。中断处理程序执行硬件设备的相关操作,

然后触发相应的软中断,最后退出。内核在执行完中断处理程序以后,马上就会调用

do_softirq(),于是软中断开始执行中断处理程序完成剩余的任务。

 

下面来看下do_softirq()的具体实现。

  1. asmlinkage void do_softirq(void)  
  2. {  
  3.     __u32 pending;  
  4.     unsigned long flags;  
  5.   
  6.     /* 如果当前已处于硬中断或软中断中,直接返回 */  
  7.     if (in_interrupt())   
  8.         return;  
  9.   
  10.     local_irq_save(flags);  
  11.     pending = local_softirq_pending();  
  12.     if (pending) /* 如果有激活的软中断 */  
  13.         __do_softirq(); /* 处理函数 */  
  14.     local_irq_restore(flags);  
  15. }  


  1. /* We restart softirq processing MAX_SOFTIRQ_RESTART times, 
  2.  * and we fall back to softirqd after that. 
  3.  * This number has been established via experimentation. 
  4.  * The two things to balance is latency against fairness - we want 
  5.  * to handle softirqs as soon as possible, but they should not be 
  6.  * able to lock up the box. 
  7.  */  
  8. asmlinkage void __do_softirq(void)  
  9. {  
  10.     struct softirq_action *h;  
  11.     __u32 pending;  
  12.     /* 本函数能重复触发执行的次数,防止占用过多的cpu时间 */  
  13.     int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;  
  14.     int cpu;  
  15.   
  16.     pending = local_softirq_pending(); /* 激活的软中断位图 */  
  17.     account_system_vtime(current);  
  18.     /* 本地禁止当前的软中断 */  
  19.     __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0), SOFTIRQ_OFFSET);  
  20.     lockdep_softirq_enter(); /* current->softirq_context++ */  
  21.     cpu = smp_processor_id(); /* 当前cpu编号 */  
  22.   
  23. restart:  
  24.     /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */  
  25.     set_softirq_pending(0); /* 重置位图 */  
  26.     local_irq_enable();  
  27.     h = softirq_vec;  
  28.     do {  
  29.         if (pending & 1) {  
  30.             unsigned int vec_nr = h - softirq_vec; /* 软中断索引 */  
  31.             int prev_count = preempt_count();  
  32.             kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);  
  33.   
  34.             trace_softirq_entry(vec_nr);  
  35.             h->action(h); /* 调用软中断的处理函数 */  
  36.             trace_softirq_exit(vec_nr);  
  37.   
  38.             if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {  
  39.                 printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p" "with preempt_count %08x,"  
  40.                     "exited with %08x?\n", vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action, prev_count,  
  41.                     preempt_count());  
  42.             }  
  43.             rcu_bh_qs(cpu);  
  44.         }  
  45.         h++;  
  46.         pending >>= 1;  
  47.     } while(pending);  
  48.   
  49.     local_irq_disable();  
  50.     pending = local_softirq_pending();  
  51.     if (pending & --max_restart) /* 重复触发 */  
  52.         goto restart;  
  53.   
  54.     /* 如果重复触发了10次了,接下来唤醒ksoftirqd/n内核线程来处理 */  
  55.     if (pending)  
  56.         wakeup_softirqd();   
  57.   
  58.     lockdep_softirq_exit();  
  59.     account_system_vtime(current);  
  60.     __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);  
  61. }  


 

(4) ksoftirqd内核线程

内核不会立即处理重新触发的软中断。

当大量软中断出现的时候,内核会唤醒一组内核线程来处理。

这些线程的优先级最低(nice值为19),这能避免它们跟其它重要的任务抢夺资源。

但它们最终肯定会被执行,所以这个折中的方案能够保证在软中断很多时用户程序不会

因为得不到处理时间而处于饥饿状态,同时也保证过量的软中断最终会得到处理。

 

每个处理器都有一个这样的线程,名字为ksoftirqd/n,n为处理器的编号。

  1. static int run_ksoftirqd(void *__bind_cpu)  
  2. {  
  3.     set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
  4.     current->flags |= PF_KSOFTIRQD; /* I am ksoftirqd */  
  5.   
  6.     while(! kthread_should_stop()) {  
  7.         preempt_disable();  
  8.   
  9.         if (! local_softirq_pending()) { /* 如果没有要处理的软中断 */  
  10.             preempt_enable_no_resched();  
  11.             schedule();  
  12.             preempt_disable():  
  13.         }  
  14.   
  15.         __set_current_state(TASK_RUNNING);  
  16.   
  17.         while(local_softirq_pending()) {  
  18.             /* Preempt disable stops cpu going offline. 
  19.              * If already offline, we'll be on wrong CPU: don't process. 
  20.              */  
  21.              if (cpu_is_offline(long)__bind_cpu))/* 被要求释放cpu */  
  22.                  goto wait_to_die;  
  23.   
  24.             do_softirq(); /* 软中断的统一处理函数 */  
  25.   
  26.             preempt_enable_no_resched();  
  27.             cond_resched();  
  28.             preempt_disable();  
  29.             rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);  
  30.         }  
  31.   
  32.         preempt_enable();  
  33.         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
  34.     }  
  35.   
  36.     __set_current_state(TASK_RUNNING);  
  37.     return 0;  
  38.   
  39. wait_to_die:  
  40.     preempt_enable();  
  41.     /* Wait for kthread_stop */  
  42.     set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
  43.     while(! kthread_should_stop()) {  
  44.         schedule();  
  45.         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
  46.     }  
  47.   
  48.     __set_current_state(TASK_RUNNING);  
  49.     return 0;  
  50. }  



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