中断及中断处理

中断及中断处理

 

操作系统的核心任务是管理与之相连的任何硬件设备，为了完成这个任务，内核有必要与每个硬件进行通讯。假定处理器可以比这些硬件设备工作快数倍，那么处理器发送一个请求且等待硬件的响应，将不是一个好的方法，而且影响系统的性。硬件的工作是相当的慢，所以这时候内核应该去完成其它的工作，直到硬件确实处理完成请求。那么硬件和处理器如何协同工作才能提供系统的性能呢。一个方法是周期的查询，既轮询，显然，这也是相当浪费cpu资源的，而且这个轮询时间的设定也比较难确定。另外一个比较好的方法那就是中断机制，也就是本文的重点。

 

中断

中断使硬件可以发出一个信号，以通知cpu，要进行处理相应的事务。这个信号被称为中断，处理器接收中断并通知操作系统去响应新的数据。与处理器定时器相比，硬件产生的信号是异步的，这意味着它可能在任何时刻都会产生中断。系统调用中产生的异常，也可以看成中断，不过它的产生是同步的，也有时被称为同步中断。

中断是由硬件产生的物理电信号，直接传达至中断控制器输入引脚，这个中断控制器可能复用很多中断线为一个中断线，最后传给处理器。中断控制器接收到信号后会通知处理器，处理器会中断当前的执行（当前中断进程直到中断完成才有可能执行）来完成中断的处理。处理器通知系统一个中断发生了，操作系统要合适的处理这个中断。

每个不同的设备都可以有一个不同的中断号，这竟味着，对于每个设备操作系统均可以作相应的处理，当然，也有很多设备共享一个中断号的情况。

 

中断处理

       内核所运行的相应的中断处理程序又被称为中断服务程序（ISR）。每个产生中断的设备均应有一个中断服务程序。如，一个ISR来完成系统定时器产生的中断，而另外的一个ISR来完成键盘产生的中断。对于一个设备来说，ISR是设备驱动程序的一部分。

       在linux中ISR也是一般的c函数，它们也有原型要匹配，这是内核可以用标准的形式来传递参数。中断处理的不同于其它内核函数的是：内核调用它们来响应中断，而且它们运行在一个比较特殊的环境中—中断上下文。这个特殊的环境又被称为原子上下文，在这个环境下它不能被阻塞。

       因为中断可能发生于任何时刻，那么一个中断处理程序可能在任何时刻被执行。那么毫无疑问，它应该尽可能的快，以恢复那个被它中断的进程。虽然说操作系统应尽可能的快的执行中断处理程序是非常重要的，同时，这个中断处理程序也应该以最短的时间来执行。否则那个被它中断的进程将受到影响。最少工作的情况下，ISR的任务仅是响应来自硬件的中断。如，网络设备的中断处理程序，最快的响应硬件，中断处理程序需要把网络数据包从硬件拷至内存，然后处理它们：把它们传入适当的应用或协议栈。显然，这些工作量很大，尤其对于那些万兆速率的网卡。

 

上半部与下半部

       中断处理最快的执行及完成大量的工作，明显这是有冲突的。因为这种冲突的目标，中断处理就被分为两部分。中断处理为上半部分，它在接收到中断时立既运行，只完成与时间相关性较强的处理，如接受中断并复位中断。那些可以被推迟的工作将会在下半部完成，既下半部运行于未来的某个时刻，某个方便的时刻，而且中断是打开的。内核提供了很多关于下半部分执行的机制。

       举个例子，如网卡，当它从网络收到数据时，它会通知内核。这项工作要求而且应该以最快的速度来处理，以优化网络吞吐量，低的延迟，避免超时。因此立即发出一个中断告知内核，内核以执行注册的网卡中断处理程序来完成响应。中断处理程序运行：确认硬件中断，拷贝新的网络数据包至主存，使网卡处于准备状态，以接收更多的数据。这些工作是非常重要的，时间相关的，硬件工作标准。内核通常需要快速把网络数据包拷贝至主存，因为网卡中的数据缓存区是固定的，而且与主存相比较小。当有大量数据包到来时，数据包的拷贝延迟可能导致缓存溢出，这些数据将会被丢失。当网络数据包位于主存中时，中断的工作才算是真正的完成，这样它就可以返回那个被他中断的代码了。余下的关于包的处理过程发生在之后，在下半部分。

 

注册中断处理

中断处理也是驱动管理硬件的一个方面，每个硬件均会有一个驱动与之对应，如果硬件使用了中断那么那个驱动必须注册一个中断处理程序。以下为注册中断处理程序接口：

 

/* request_irq: allocate a given interrupt line */

int request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler,\

unsigned long flags,const char *name,void *dev)

第一个参数为分配的irq号，一般此号为硬件决定的，有时此号可以由软件编程决定。

第二个参数为处理程序，它是一个函数指针，指向真正的中断服务处理程序。当操作系统收到中断后，它就会掉用这个中断处理程序。

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

它接受两个参数，返回值为irqreturn_t。

第三个参数为中断处理标志，其中几个比较重要的标志如下：

1，  IRQF_DISABLED，当这个标志位被设置时，内核在执行此中断处理程序时关闭所有中断。当不设置时，除了它本身中断外，其它中断均打开。现在多数使用另外一个标志SA_INTERRUPT以区别“快”，“慢”中断。

2，  IRQF_SAMPLE_RANDOM 此标志位指定硬件所产生的中断可用于内核熵池。

3，  IRQF_TIMER 指定中断处理过程处理系统定时器所产生的中断。

4，  IRQF_SHARED，指定中断号在多个中断处理程序中共用。每个注册的中断处理程序必须设定此标志，否则每个中断号上仅能存在一个中断处理程序

第四个参数，名称，以ASSCII文本表示中断处理程序相关的设备。

第五个参数，设备，为了共享中断号的设备而使用的。在共享中断号的中断处理情况下，当释放一个中断处理程序，此参数提供了一个特别的标识，可以移除期望的中断处理程序。如果中断号未被共享，此处可传递参数NULL即可。

 

此函数执行成功时返回零，非零值意味着一个错误的发生，中断未被注册至内核中。此函数可以睡眠，因此不能在中断上下文或其它不能阻塞的情况下使用。因为在注册时，它在内核中创建了/proc/irq文件，它使用proc_mkdir来完成这个功能的，这个函数执行时需要调用到kmalloc函数来分配内存—一个可能睡眠的函数。

 

释放中断处理函数

                     Void free_irq(unsigned int irq,void *dev)

这个函数完成中断处理程序的释放，当然如果共享中断号的情况下它只是释放相应的中断处理函数。这个函数只能在进程上下文中被调用。

写一个中断处理

       中断处理函数的声明如下：

              static irqreturn_t intr_handler(int irq, void *dev)

此函数必须匹配申请中断处理函数中的原型。第一个参数为中断号，它只在打印日志信息时被使用。第二个参数为设备指针，与申请中断处理函数中的设备指针相同。中断处理函数的返回值为irqreturn_t类型，一般中断处理只能返回两个值，IRQ_NONE,IRQ_HANDLED。当前者被返回进，意味着中断处理函数检测到指定的设备并未发生中断，后者返回时表明一个设备确实发生了中断，而且中断处理函数被正确调用。一般中断处理函数多定义为static类型。中断处理程序没有必要是可重入的，当一个中断发生时，相应的中断号在所有的cpu均会被屏蔽，避免了同一中断再次被接收，这也就简化了中断处理程序的设计。

 

中断上下文

       中断执行时，它位于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间。进程上下文运行于内核态，比如内核线程或一个系统调用进入内核。在进程上下文中，current宏指向当前相关的任务。因为一个进程总是在进程上下文中与内核相关，因此，进程上下文中可以睡眠或者执行调度。

       中断上下文时，一方面它不与任何进程相关，尽管它当前仍然指向那个被它中断的进程。没有任何备份过程，中断上下文中不可睡眠，否则它又如何调度呢？

       中断上下文在时间上是十分严格的，因为它中断了其它正在执行的代码，所以中断程序本身应该快速执行，程序本身应该简单。尽管忙等待是可行的，但这是不鼓励的。另外一方面也是十分重要的：中断打断了其它正在执行的代码。因为这种异步性，所以它应该尽快执行。

中断处理程序的栈本身是可以设置的，在历史上中断处理程序本身没有自己的栈，它们本来是共享那个被它们中断的进程的栈。现在在2.6内核中，一个新增加的选项被加入，以允许减小栈的大小从两而至一页，也就是在32位的系统上，有4KB或32KB的栈。这也就减小的内存压力，因为系统上的每个进程先前需要两页的非交换的内核连续内存。为了处理内存栈的减小，中断处理程序本身就有了自己的栈，每个处理器一个栈，被称为中断栈。尽管中断栈的大小仅是共享栈的一半，但由于中断处理程序本身可以获得全部的页，平均获得的空间也就变大了。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

中断处理实例

       中断处理系统在linux中是体系相关的，它的应用依靠cpu，使用的中断控制器，体系架构及机器的设计。以下为基本过程

 

 

 

 

 

 

 

 

设备通过电信号发出中断，通知中断控制器，如果中断控制器被使能，那么中断控制器将会把信号送到cpu。若cpu的中断未被禁止，它将会立即中断当前任务，禁止系统的中断，跳转至预先定义在内存中指定位置，执行代码。预先定义点由内核设置，它是中断处理程序的入口点。

中断处理过程的处理开始于预先定义的入口点，正如系统调用通过异常进入内核一样。对于每个中断号，处理器跳转至内存中唯一的位置执行那里的代码。以这种方式，内核得知到来中断的中断处理程序。初始入口简单的保存着这个值，保存当前寄存器的值（这个值属于被中断进程）于栈上；然后调用do_IRQ(),此后多数中断处理程序用c完成，但它依然是体系相关的。这个函数定义如下：

                     unsigned int do_IRQ(struct pt_regs regs)

因为c语言的惯例是把函数的参数放入栈顶，pt_regs结构体中包含了先前汇编入口保存的寄存器初始值。因为中断号也被保存了，此刻可以提取出来这个中断号，然后此函数响应接收到中断，禁止当前中断号中断。接下来，它确保此中断被合理的注册而且被使能，且当前没有正在执行。然后调用handle_IRQ_event函数来运行中断处理程序。它完成了中断处理程序的运行，返回时它清除了初始入口，跳回至ret_from_intr，这个函数使用汇编完成，它判断重新调度是否被挂起，既是否需要重新调度。如果确实发生重新调度，内核返回至用户空间（意味着中断打断了用户空间的进程），schedule()将被调用。如果内核返回至内核空间（意味着中断打断了内核空间进程），如果preempt_count为0，则schedule将会被调用。否则这是不安全的内核抢占。在调度发生后，若没有挂起的工作，初始值被恢复，内核将会恢复至它被中断位置处。

 

中断控制

内核提供了一系统的接口来控制机器上的内核中断，你可以通过这些接口禁止或使能当前处理器上的中断系统，也可以屏蔽整个机器的中断。这些接口是体系相关的。之所以要提供这些接口主要是为了提供同步化。通过禁止中断，你可以保证中断处理程序不会抢占你当前的代码，而且禁止中断同时也禁止了内核的抢占。

 

 

禁止及打开中断

为了禁止当前（仅当前）cpu中断，然后再打开它们可以按以下步骤进行：

              Local_irq_disable();

              /*中断被禁止*/

              Local_irq_enable();

这些操作是体系相关的，且使用汇编完成。在x86中，前者仅是一个简单的cli，后者为sti.换句话说，它们禁止和使能相应cpu上的中断的发送。在调用前者时，如果系统中断已经禁止了，这种情况存在一定的风险。Local_irq_enable()无条件的使能中断。

local_irq_save(unsigned long flags)  //保存本地中断状态，然后禁止本地中断
local_irq_restore(unsigned lond flags)  //恢复本地中断到给定状态  （通过保存状态解决    local_irq_disable()的潜在危险，但save与restore必须在同一个函数中执行，flags不能传递给另一个函数）

以上函数均可以在中断上下文或进程上下文进行调用

 

禁止指定中断号

disable_irq(unsigned int irq)  //禁止给定中断线（全cpu），并确保该函数返回之前在该中断线上没有处理程序运行
disalbe_irq_nosync(unsigned int irq)  //禁止给定中断线
enable_irq(unsigned int irq)（每执行一次disable_irq和disable_irq_nosync都要执行一次enable_irq()，要匹配出现，直到最后一个enable_irq才真正使能相应的中断）

同样以上函数也可以在中断或进程上下文中使用，如果使用时，一定要小心，例如使能一个你正在处理的中断的中断号。禁止中断号对于那些共享中断号的中断是一种比较粗鲁的方式，那样它将会禁止此中断号上所有设备发送的中断。因此新的设备驱动趋向于不再使用这些接口。因为pci设备必须支持中断共享的标准，它们应该完全不再使用这些接口。

 

系统中断状态

       经常我们要知道系统的中断状态，例如：中断是否使能，或者你当前是否在中断上下文的环境中执行代码。

irqs_disbaled() //如果本地中断被禁止，则返回非0
in_interrupt()  //如果在中断上下文中，则返回非0
in_irq()  //如果当前正在执行中断处理程序，则返回非0

第一个函数判断中断是否被禁止，如被禁止返回非零。

第二个函数判断当前执行环境是否处理中断上下文，若处于则返回非零。这包括执行中断处理或下半部分处理函数。

第三个函数返回非零，若在执行指定的中断处理函数中。

 

       通常你想确定当前的执行是否处于进程上下文，以确定不是在中断上下文中。因为我们知道想做的一些事情仅能在进程上下文中执行，例如，睡眠。如果in_interrupt返回零，那么当前内核处于进程上下文。