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2012-06-30 22:19:41

1.  中断流控层简介

早期的内核版本中,几乎所有的中断都是由__do_IRQ函数进行处理,但是,因为各种中断请求的电气特性会有所不同,又或者中断控制器的特性也不同,这会导致以下这些处理也会有所不同:

  • 何时对中断控制器发出ack回应;
  • mask_irq和unmask_irq的处理;
  • 中断控制器是否需要eoi回应?
  • 何时打开cpu的本地irq中断?以便允许irq的嵌套;
  • 中断数据结构的同步和保护
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为此,通用中断子系统把几种常用的流控类型进行了抽象,并为它们实现了相应的标准函数,我们只要选择相应的函数,赋值给irq所对应的irq_desc结构的handle_irq字段中即可。这些标准的回调函数都是irq_flow_handler_t类型:

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  1. typedef    void (*irq_flow_handler_t)(unsigned int irq,
  2.                      struct irq_desc *desc);

目前的通用中断子系统实现了以下这些标准流控回调函数,这些函数都定义在:kernel/irq/chip.c中,
  • handle_simple_irq  用于简易流控处理;
  • handle_level_irq  用于电平触发中断的流控处理;
  • handle_edge_irq  用于边沿触发中断的流控处理;
  •  handle_fasteoi_irq  用于需要响应eoi的中断控制器;
  • handle_percpu_irq  用于只在单一cpu响应的中断;
  • handle_nested_irq  用于处理使用线程的嵌套中断;

驱动程序和板级代码可以通过以下几个API设置irq的流控函数:

  • irq_set_handler();
  • irq_set_chip_and_handler();
  • irq_set_chip_and_handler_name();

以下这个序列图展示了整个通用中断子系统的中断响应过程,flow_handle一栏就是中断流控层的生命周期:


图1.1  通用中断子系统的中断响应过程

2.  handle_simple_irq

该函数没有实现任何实质性的流控操作,在把irq_desc结构锁住后,直接调用handle_irq_event处理irq_desc中的 action链表,它通常用于多路复用(类似于中断控制器级联)中的子中断,由父中断的流控回调中调用。或者用于无需进行硬件控制的中断中。以下是它的经 过简化的代码:

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  1. void
  2. handle_simple_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
  3. {
  4.     raw_spin_lock(&desc->lock);
  5.     ......
  6.     handle_irq_event(desc);

  7. out_unlock:
  8.     raw_spin_unlock(&desc->lock);
  9. }

3.  handle_level_irq
该函数用于处理电平中断的流控操作。电平中断的特点是,只要设备的中断请求引脚(中断线)保持在预设的触发电平,中断就会一直被请求,所以,为 了避免同一中断被重复响应,必须在处理中断前先把mask irq,然后ack irq,以便复位设备的中断请求引脚,响应完成后再unmask irq。实际的情况稍稍复杂一点,在mask和ack之后,还要判断IRQ_INPROGRESS标志位,如果该标志已经置位,则直接退出,不再做实质性 的处理,IRQ_INPROGRESS标志在handle_irq_event的开始设置,在handle_irq_event结束时清除,如果监测到 IRQ_INPROGRESS被置位,表明该irq正在被另一个CPU处理中,所以直接退出,对电平中断来说是正确的处理方法。但是我觉得在ARM系统 中,这种情况根本就不会发生,因为在没有进入handle_level_irq之前,中断控制器没有收到ack通知,它不会向第二个CPU再次发出中断请 求,而当程序进入handle_level_irq之后,第一个动作就是mask irq,然后ack irq(通常是联合起来的:mask_ack_irq),这时候就算设备再次发出中断请求,也是在handle_irq_event结束,unmask irq之后,这时IRQ_INPROGRESS标志已经被清除。我不知道其他像X86之类的体系是否有不同的行为,有知道的朋友请告知我一下。以下是 handle_level_irq经过简化之后的代码:

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  1. void
  2. handle_level_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
  3. {
  4.     raw_spin_lock(&desc->lock);
  5.     mask_ack_irq(desc);

  6.     if (unlikely(irqd_irq_inprogress(&desc->irq_data)))
  7.             goto out_unlock;
  8.         ......

  9.     if (unlikely(!desc->action || irqd_irq_disabled(&desc->irq_data)))
  10.         goto out_unlock;

  11.     handle_irq_event(desc);

  12.     if (!irqd_irq_disabled(&desc->irq_data) && !(desc->istate & IRQS_ONESHOT))
  13.         unmask_irq(desc);
  14. out_unlock:
  15.     raw_spin_unlock(&desc->lock);
  16. }

虽然handle_level_irq对电平中断的流控进行了必要的处理,因为电平中断的特性:只要没有ack irq,中断线会一直有效,所以我们不会错过某次中断请求,但是驱动程序的开发人员如果对该过程理解不透彻,特别容易发生某次中断被多次处理的情况。特别 是使用了中断线程(action->thread_fn)来响应中断的时候:通常mask_ack_irq只会清除中断控制器的pending状 态,很多慢速设备(例如通过i2c或spi控制的设备)需要在中断线程中清除中断线的pending状态,但是未等到中断线程被调度执行的时 候,handle_level_irq早就返回了,这时已经执行过unmask_irq,设备的中断线pending处于有效状态,中断控制器会再次发出 中断请求,结果是设备的一次中断请求,产生了两次中断响应。要避免这种情况,最好的办法就是不要单独使用中断线程处理中断,而是要实现 request_threaded_irq()的第二个参数irq_handler_t:handler,在handle回调中使用 disable_irq()关闭该irq,然后在退出中断线程回调前再enable_irq()。假设action->handler没有屏蔽 irq,以下这幅图展示了电平中断期间IRQ_PROGRESS标志、本地中断状态和触发其他CPU的状态:
 图3.1  电平触发中断状态

4.  handle_edge_irq
该函数用于处理边沿触发中断的流控操作。边沿触发中断的特点是,只有设备的中断请求引脚(中断线)的电平发生跳变时(由高变低或者有低变高), 才会发出中断请求,因为跳变是一瞬间,而且不会像电平中断能保持住电平,所以处理不当就特别容易漏掉一次中断请求,为了避免这种情况,屏蔽中断的时间必须 越短越好。内核的开发者们显然意识到这一点,在正是处理中断前,判断IRQ_PROGRESS标志没有被设置的情况下,只是ack irq,并没有mask irq,以便复位设备的中断请求引脚,在这之后的中断处理期间,另外的cpu可以再次响应同一个irq请求,如果IRQ_PROGRESS已经置位,表明 另一个CPU正在处理该irq的上一次请求,这种情况下,他只是简单地设置IRQS_PENDING标志,然后mask_ack_irq后退出,中断请求 交由原来的CPU继续处理。因为是mask_ack_irq,所以系统实际上只允许挂起一次中断。

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  1. if (unlikely(irqd_irq_disabled(&desc->irq_data) ||
  2.          irqd_irq_inprogress(&desc->irq_data) || !desc->action)) {
  3.         if (!irq_check_poll(desc)) {
  4.             desc->istate |= IRQS_PENDING;
  5.             mask_ack_irq(desc);
  6.             goto out_unlock;
  7.         }
  8.     }

  9.     desc->irq_data.chip->irq_ack(&desc->irq_data);


从上面的分析可以知道,处理中断期间,另一次请求可能由另一个cpu响应后挂起,所以在处理完本次请求后还要判断IRQS_PENDING标志,如果被置 位,当前cpu要接着处理被另一个cpu“委托”的请求。内核在这里设置了一个循环来处理这种情况,直到IRQS_PENDING标志无效为止,而且因为 另一个cpu在响应并挂起irq时,会mask irq,所以在循环中要再次unmask irq,以便另一个cpu可以再次响应并挂起irq:

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  1. do {
  2.                 ......
  3.         if (unlikely(desc->istate & IRQS_PENDING)) {
  4.             if (!irqd_irq_disabled(&desc->irq_data) &&
  5.              irqd_irq_masked(&desc->irq_data))
  6.                 unmask_irq(desc);
  7.         }

  8.         handle_irq_event(desc);

  9.     } while ((desc->istate & IRQS_PENDING) &&
  10.          !irqd_irq_disabled(&desc->irq_data));

IRQS_PENDING标志会在handle_irq_event中清除。

 图4.1   边沿触发中断状态
由图4.1也可以看出,在处理软件中断(softirq)期间,此时仍然处于中断上下文中,但是cpu的本地中断是处于打开状态的,这表明此时嵌套中断允 许发生,不过这不要紧,因为重要的处理已经完成,被嵌套的也只是软件中断部分而已。这个也就是内核区分top和bottom两个部分的初衷吧。
5.  handle_fasteoi_irq
现代的中断控制器通常会在硬件上实现了中断流控功能,例如ARM体系中的GIC通用中断控制器。对于这种中断控制器,CPU只需要在每次处理完 中断后发出一个end of interrupt(eoi),我们无需关注何时mask,何时unmask。不过虽然想着很完美,事情总有特殊的时候,所以内核还是给了我们插手的机 会,它利用irq_desc结构中的preflow_handler字段,在正式处理中断前会通过preflow_handler函数调用该回调。

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  1. void
  2. handle_fasteoi_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
  3. {
  4.     raw_spin_lock(&desc->lock);

  5.     if (unlikely(irqd_irq_inprogress(&desc->irq_data)))
  6.         if (!irq_check_poll(desc))
  7.             goto out;
  8.         ......
  9.     if (unlikely(!desc->action || irqd_irq_disabled(&desc->irq_data))) {
  10.         desc->istate |= IRQS_PENDING;
  11.         mask_irq(desc);
  12.         goto out;
  13.     }

  14.     if (desc->istate & IRQS_ONESHOT)
  15.         mask_irq(desc);

  16.     preflow_handler(desc);
  17.     handle_irq_event(desc);

  18. out_eoi:
  19.     desc->irq_data.chip->irq_eoi(&desc->irq_data);
  20. out_unlock:
  21.     raw_spin_unlock(&desc->lock);
  22.     return;
  23.         ......
  24. }

此外,内核还提供了另外一个eoi版的函数:handle_edge_eoi_irq,它的处理类似于handle_edge_irq,只是无需实现mask和unmask的逻辑。
6.  handle_percpu_irq
该函数用于smp系统,当某个irq只在一个cpu上处理时,我们可以无需用自旋锁对数据进行保护,也无需处理cpu之间的中断嵌套重入,所以函数很简单:

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  1. void
  2. handle_percpu_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
  3. {
  4.     struct irq_chip *chip = irq_desc_get_chip(desc);

  5.     kstat_incr_irqs_this_cpu(irq, desc);

  6.     if (chip->irq_ack)
  7.         chip->irq_ack(&desc->irq_data);

  8.     handle_irq_event_percpu(desc, desc->action);

  9.     if (chip->irq_eoi)
  10.         chip->irq_eoi(&desc->irq_data);
  11. }
7.  handle_nested_irq

该函数用于实现其中一种中断共享机制,当多个中断共享某一根中断线时,我们可以把这个中断线作为父中断,共享该中断的各个设备作为子中断,在父中断的中断线程(使用request_threaded_irq函数创建的纯种)中决定和分发响应哪个设备的请求,在得出真正发出请求的子设备后,调用handle_nested_irq来响应中断。所以,该函数是在进程上下文执行的,我们也无需扫描和执行irq_desc结构中的action链表。父中断在初始化时必须通过irq_set_nested_thread函数 明确告知中断子系统:这些子中断属于线程嵌套中断类型,这样驱动程序在申请这些子中断时,内核不会为它们建立自己的中断线程,所有的子中断共享父中断的中断线程。

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  1. void handle_nested_irq(unsigned int irq)
  2. {
  3.     ......
  4.         might_sleep();

  5.     raw_spin_lock_irq(&desc->lock);
  6.         ......
  7.     action = desc->action;
  8.     if (unlikely(!action || irqd_irq_disabled(&desc->irq_data)))
  9.         goto out_unlock;

  10.     irqd_set(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_INPROGRESS);
  11.     raw_spin_unlock_irq(&desc->lock);

  12.     action_ret = action->thread_fn(action->irq, action->dev_id);

  13.     raw_spin_lock_irq(&desc->lock);
  14.     irqd_clear(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_INPROGRESS);

  15. out_unlock:
  16.     raw_spin_unlock_irq(&desc->lock);
  17. }

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