【摘要】本文详解了Linux内核的中断实现机制。首先介绍了中断的一些基本概念，然后分析了面向对象的Linux中断的组织形式、三种主要数据结构及其之间的关系。随后介绍了Linux处理异常和中断的基本流程，在此基础上分析了中断处理的详细流程，包括保存现场、中断处理、中断退出时的软中断执行及中断返回时的进程切换等问题。最后介绍了中断相关的API，包括中断注册和释放、中断关闭和使能、如何编写中断ISR、共享中断、中断上下文中断状态等。
【关键字】中断，异常，hw_interrupt_type，irq_desc_t，irqaction，asm_do_IRQ，软中断，进程切换，中断注册释放request_irq，free_irq，共享中断，可重入，中断上下文
1 Linux中断的组织形式
1.1 IRQ描述符irq_desc
对于每个IRQ中断线，Linux都用一个irq_desc_t数据结构来描述，我们把它叫做IRQ描述符，NR_IRQS个IRQ形成一个全局数组irq_desc[]，其定义在/include/linux/irq.h中：
struct irq_desc – 中断描述符
148struct irq_desc {
149 irq_flow_handler_t handle_irq;
150 struct irq_chip *chip;
151 void *handler_data;
152 void *chip_data;
153 struct irqaction *action; /* IRQ action list */
154 unsigned int status; /* IRQ status */
155
156 unsigned int depth; /* nested irq disables */
157 unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */
158 unsigned int irq_count; /* For detecting broken IRQs */
159 unsigned int irqs_unhandled;
160 spinlock_t lock;
161#ifdef CONFIG_SMP
162 cpumask_t affinity;
163 unsigned int cpu;
164#endif
171 const char *name;
172} ____cacheline_aligned;
173
174extern struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS];
handle_irq：上层的通用中断处理函数指针，如果未设置则默认为__do_IRQ()。通常针对电平触发或者边沿触发有不同的处理函数。每个中断线可分别设置；
chip：底层中断的各种控制访问方法集合，各个CPU实现的都不同，这属于面向对象的中断处理方式中最底层的一部分；
handler_data：附加参数，用于handle_irq；
chip_data：平台相关的附加参数，用于chip；
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；
status：中断当前的状态；
depth：中断关闭打开的层数。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。如果depth等于0，每当调用一次disable_irq( )，该函数就对这个域的值加1，同时该函数就禁用这条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：此中断描述符为全局共享暑假，对于SMP需要互斥访问
Dir： /proc/irq/ 入口
Name： /proc/interrupts 中显示的中断名称
“____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
linux+v2.6.19/arch/arm/kernel/irq.c
157void __init init_IRQ(void)
158{
159 int irq;
160
161 for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++)
162 irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_DELAYED_DISABLE |
163 IRQ_NOPROBE;
164
165#ifdef CONFIG_SMP
166 bad_irq_desc.affinity = CPU_MASK_ALL;
167 bad_irq_desc.cpu = smp_processor_id();
168#endif
169 init_arch_irq();
170}
1.2 中断控制器描述符irq_chip
由于CPU不同，故每个处理器对于中断的处理方式不一样。Linux为了实现统一的中断处理，提供了底层的中断处理抽象接口，对于每个平台都需要实现底层的接口函数。这样对于上层的中断通用处理程序就无需任何改动。
struct irq_chip –片级的中断描述符
94struct irq_chip {
95 const char *name;
96 unsigned int (*startup)(unsigned int irq);
97 void (*shutdown)(unsigned int irq);
98 void (*enable)(unsigned int irq);
99 void (*disable)(unsigned int irq);
100
101 void (*ack)(unsigned int irq);
102 void (*mask)(unsigned int irq);
103 void (*mask_ack)(unsigned int irq);
104 void (*unmask)(unsigned int irq);
105 void (*eoi)(unsigned int irq);
106
107 void (*end)(unsigned int irq);
108 void (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest);
109 int (*retrigger)(unsigned int irq);
110 int (*set_type)(unsigned int irq, unsigned int flow_type);
111 int (*set_wake)(unsigned int irq, unsigned int on);
121 const char *typename;
122};
Name：用于/proc/interrupts
Startup：默认为enable if NULL
Shutdown：默认为 disable if NULL
Enable：允许中断，默认为unmask if NULL
Disable：禁止中断，默认为mask if NULL
Ack：响应一个中断
Mask：mask 一个中断源，通常是关闭中断
mask_ack：响应并mask中断源
unmask：unmask中断源
set_type：设置中断触发方式IRQ_TYPE_LEVEL
大多数控制方法都是重复的，基本上只要有中断响应、中断屏蔽、中断开启、中断触发类型设置等方法就可以满足要求了。其他各种方法基本上和这些相同。
linux+v2.6.19/arch/arm/mach-at91rm9200/irq.c
提供了中断响应、打开、关闭、设置触发类型等底层方法的接口
static struct irq_chip at91_aic_chip = {
.name = "AIC",
.ack = at91_aic_mask_irq,
.mask = at91_aic_mask_irq,
.unmask = at91_aic_unmask_irq,
.set_type = at91_aic_set_type,
.set_wake = at91_aic_set_wake,
};
124/*
125 * Initialize the AIC interrupt controller.
126 */
127void __init at91_aic_init(unsigned int priority[NR_AIC_IRQS])
128{
129 unsigned int i;
130
131 /*
132 * The IVR is used by macro get_irqnr_and_base to read and verify.
133 * The irq number is NR_AIC_IRQS when a spurious interrupt has occurred.
134 */
135 for (i = 0; i < NR_AIC_IRQS; i++) {
136 /* Put irq number in Source Vector Register: */
137 at91_sys_write(AT91_AIC_SVR(i), i);
138 /* Active Low interrupt, with the specified priority */
139 at91_sys_write(AT91_AIC_SMR(i), AT91_AIC_SRCTYPE_LOW | priority[i]);
140
141 set_irq_chip(i, &at91_aic_chip);
142 set_irq_handler(i, do_level_IRQ);
143 set_irq_flags(i, IRQF_VALID | IRQF_PROBE);
144
145 /* Perform 8 End Of Interrupt Command to make sure AIC will not Lock out nIRQ */
146 if (i < 8)
147 at91_sys_write(AT91_AIC_EOICR, 0);
148 }
149
150 /*
151 * Spurious Interrupt ID in Spurious Vector Register is NR_AIC_IRQS
152 * When there is no current interrupt, the IRQ Vector Register reads the value stored in AIC_SPU
153 */
154 at91_sys_write(AT91_AIC_SPU, NR_AIC_IRQS);
155
156 /* No debugging in AIC: Debug (Protect) Control Register */
157 at91_sys_write(AT91_AIC_DCR, 0);
158
159 /* Disable and clear all interrupts initially */
160 at91_sys_write(AT91_AIC_IDCR, 0xFFFFFFFF);
161 at91_sys_write(AT91_AIC_ICCR, 0xFFFFFFFF);
162}
163
以下这些宏定义都是为保持兼容性而设置的，后续版本中将彻底删除
47#define do_level_IRQ handle_level_irq
48#define do_edge_IRQ handle_edge_irq
49#define do_simple_IRQ handle_simple_irq
50#define irqdesc irq_desc
51#define irqchip irq_chip
55#define SA_INTERRUPT IRQF_DISABLED
57#define SA_SHIRQ IRQF_SHARED
60
61#define SA_TRIGGER_LOW IRQF_TRIGGER_LOW
62#define SA_TRIGGER_HIGH IRQF_TRIGGER_HIGH
63#define SA_TRIGGER_FALLING IRQF_TRIGGER_FALLING
64#define SA_TRIGGER_RISING IRQF_TRIGGER_RISING
65#define SA_TRIGGER_MASK IRQF_TRIGGER_MASK
linux/kernel/irq/chip.c
handle_level_irq
1.3 中断服务例程描述符irqaction
在IRQ描述符中我们看到指针action的结构为irqaction，它是为多个设备能共享一条中断线而设置的一个数据结构，代表了每个注册中断对应的信息。在include/linux/interrupt.h中定义如下:
67typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);
68
69struct irqaction {
70 irq_handler_t handler;
71 unsigned long flags;
72 cpumask_t mask;
73 const char *name;
74 void *dev_id;
75 struct irqaction *next;
76 int irq;
77 struct proc_dir_entry *dir;
78};
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，中断线可以相同，但处理函数可以不一样。
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。此标志表明给定的中断处理程序是一个快速中断处理程序(fast interrupt handler)。过去，Linux将中断处理程序分为快速和慢速两种。那些可以迅速执行但调用频率可能会很高的中断服务程序，会被贴上这样的标签。通常这样做需要修改中断处理程序的行为，使它们能够尽可能快地执行。现在，加不加此标志的区别只剩下一条了：在本地处理器上，快速中断处理程序在禁止所有中断的情况下运行。这使得快速中断处理程序能够不受其他中断干扰，得以迅速执行。而默认情况下(没有这个标志)，除了正运行的中断处理程序对应的那条中断线被屏蔽外，其他所有中断都是激活的。除了时钟中断外，绝大多数中断都不使用该标志。
SA_SHIRQ
此标志表明可以在多个中断处理程序之间共享中断线。在同一个给定线上注册的每个处理程序必须指定这个标志：否则，在每条线上只能有一个处理程序。各项该中断线的每一个例程都需要设置此标志。
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：对于共享中断，此特定值用来区分各中断。当一个中断处理程序需要释放时，dev_id将提供惟一的标志信息(cookie)，以便从共享中断线的诸多中断处理程序中删除指定的那一个。如果没有这个参数，那么内核不可能知道在给定的中断线上到底要删除哪一个处理程序。
如果无需共享中断线，那么将该参数赋为空值(NULL)就可以了，但是，如果中断线是被共享的，那么就必须传递惟一的信息。另外，内核每次调用中断处理程序时，都会把这个指针传递给它。实践中往往会通过它传递驱动程序的设备结构：这个指针是惟一的，而且有可能在中断处理程序内及设备模式中被用到。
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：对应的中断号
dir：proc文件系统对应的入口
1.4 三者的关系
三个主要的数据结构包含了与 IRQ 相关的所有信息：hw_interrupt_type、irq_desc_t 和 irqaction，下图解释了它们之间是如何关联的。中断服务例程ISR是irqaction 的Handler成员。
中断的处理是一种面向对象的机制，通过三个数据结果实现了三层结构，底层是和具体硬件相关的中断处理响应等，中间层是统一的中断处理流程，最上层是特定的中断处理例程。
IRQ 结构之间的关系
