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一、软中断描述
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1.中断服务程序往往都是在CPU关中断的条件下执行的,以避免中断嵌套而使控制复杂化。但是CPU关中断的时间不能太长,否则容易丢失中断信号。为此, Linux将中断服务程序一分为二,各称作“Top Half”和“Bottom Half”。前者通常对时间要求较为严格,必须在中断请求发生后立即或至少在一定的时间限制内完成。因此为了保证这种处理能原子地完成,Top Half通常是在CPU关中断的条件下执行的。
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//软中断本身是一种机制,同时也是一种框架。在这个框架里有bh机制(tasklet),即是一种特殊的软中断
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enum//四种软中断机制
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{
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HI_SOFTIRQ=0, //实现高优先级的软中断
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NET_TX_SOFTIRQ,
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NET_RX_SOFTIRQ,
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TASKLET_SOFTIRQ //tasklet机制
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};
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具体地说,Top Half的范围包括:从在IDT中登记的中断入口函数一直到驱动程序注册在中断服务队列中的ISR。而Bottom Half则是Top Half根据需要来调度执行的,这些操作允许延迟到稍后执行,它的时间要求并不严格,因此它通常是在CPU开中断的条件下执行的。但是, Linux的这种Bottom Half(以下简称BH)机制有两个缺点,也即:
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(1)在任意一时刻,系统只能有一个CPU可以执行Bottom Half代码,以防止两个或多个CPU同时来执行Bottom Half函数而相互干扰。因此BH代码的执行是严格“串行化”的。
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(2)BH函数不允许嵌套。
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这两个缺点在单CPU系统中是无关紧要的,但在SMP系统中却是非常致命的。因为BH机制的严格串行化执行显然没有充分利用SMP系统的多CPU特点。为此,Linux2.4内核在BH机制的基础上进行了扩展,这就是所谓的“软中断请求”(softirq)机制。
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2.Linux 的softirq机制是与SMP紧密不可分的。为此,整个softirq机制的设计与实现中自始自终都贯彻了一个思想:“谁触发,谁执行”(Who marks,Who runs),也即触发软中断的那个CPU负责执行它所触发的软中断,而且每个CPU都由它自己的软中断触发与控制机制。这个设计思想也使得softirq 机制充分利用了SMP系统的性能和特点。
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Linux在include/linux/interrupt.h头文件中定义了数据结构softirq_action,来描述一个软中断请求,如下所示:
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struct softirq_action
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{
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void (*action)(struct softirq_action *);//指向软中断请求的服务函数
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void *data;//由服务函数自行解释的数据
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}
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static struct softirq_action softirq_vec[32] __cacheline_aligned;
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在这里系统一共定义了32个软中断请求描述符。软中断向量i(0≤i≤31)所对应的软中断请求描述符就是softirq_vec[i]。这个数组是个系统全局数组,也即它被所有的CPU所共享。这里需要注意的一点是:每个CPU虽然都由它自己的触发和控制机制,并且只执行他自己所触发的软中断请求,但是各个CPU所执行的软中断服务例程却是相同的,也即都是执行softirq_vec[]数组中定义的软中断服务函数。
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3.要实现“谁触发,谁执行”的思想,就必须为每个CPU都定义它自己的触发和控制变量。为此,Linux在include/asm-i386/hardirq.h头文件中定义了数据结构irq_cpustat_t来描述一个CPU的中断统计信息,其中就有用于触发和控制软中断的成员变量。数据结构irq_cpustat_t 的定义如下:
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typedef struct {
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unsigned int __softirq_active;//表示软中断向量0~31的状态。如果bit[i](0≤i≤31)为1,则表示软中断向量i在某个CPU上已经被触发而处于active状态;为0表示处于非活跃状态。
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unsigned int __softirq_mask; //32位的无符号整数,软中断向量的屏蔽掩码。如果bit[i](0≤i≤31)为1,则表示使能(enable)软中断向量i,为0表示该软中断向量被禁止(disabled)。
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unsigned int __local_irq_count;
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unsigned int __local_bh_count;
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unsigned int __syscall_count;
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unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */
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} ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;
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根据系统中当前的CPU个数(由宏NR_CPUS表示),Linux在kernel/softirq.c文件中为每个CPU都定义了它自己的中断统计信息结构,如下所示:
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irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS];
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这样,每个CPU都只操作它自己的中断统计信息结构。假设有一个编号为id的CPU,那么它只能操作它自己的中断统计信息结构irq_stat[id](0≤id≤NR_CPUS-1),从而使各CPU之间互不影响。
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二、软中断初始化
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1.
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void __init softirq_init()
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{
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int i;
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//初始化tasklet机制
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for (i=0; i<32; i++)//对bh的32个tasklet_struct结构初始化
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tasklet_init(bh_task_vec+i, bh_action, i);//tasklet机制func函数全部指向bh_action()
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//初始化软中断机制,软中断服务函数指针分别指向 tasklet_action()函数和tasklet_hi_action()函数
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open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action, NULL);//对TASKLET_SOFTIRQ软中断进行初始化
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open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action, NULL);//对HI_SOFTIRQ软中断进行初始化
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}
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2.tasklet结构
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//原有的32个BH函数指针被保留
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static void (*bh_base[32])(void);
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//但是,每个BH函数都对应有一个tasklet,并由tasklet的可执行函数func来负责调用相应的bh函数(func函数的参数指定调用哪一个BH函数)。与32个BH函数指针相对应的tasklet的定义如下所示:
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struct tasklet_struct bh_task_vec[32];
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//Linux用数据结构tasklet_struct来描述一个tasklet,尽管tasklet机制是特定于软中断向量HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ的一种实现,但是tasklet机制仍然属于 softirq机制的整体框架范围内的。
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struct tasklet_struct
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{
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struct tasklet_struct *next;
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unsigned long state;
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atomic_t count;
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void (*func)(unsigned long); //指向服务程序,最终执行的程序是bh_base[n]中定义的函数
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unsigned long data;
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};
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//多个tasklet可以通过tasklet描述符中的next成员指针链接成一个单向对列。为此,Linux专门定义了数据结构tasklet_head来描述一个tasklet对列的头部指针。
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struct tasklet_head tasklet_hi_vec[NR_CPUS] __cacheline_aligned;
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struct tasklet_head
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{
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struct tasklet_struct *list;
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} __attribute__ ((__aligned__(SMP_CACHE_BYTES)));
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3.tasklet初始化
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//bh_base[]数组中每个元素用来指向一个bh函数
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//init_bh()将具体的软中断服务程序挂入软中断服务队列
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//init_bh(TIMER_BH, timer_bh);
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//init_bh(TQUEUE_BH, tqueue_bh);
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//init_bh(IMMEDIATE_BH, immediate_bh);
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/*
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enum {
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TIMER_BH = 0,
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TQUEUE_BH,
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DIGI_BH,
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SERIAL_BH,
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RISCOM8_BH,
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SPECIALIX_BH,
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AURORA_BH,
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ESP_BH,
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SCSI_BH,
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IMMEDIATE_BH,
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CYCLADES_BH,
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CM206_BH,
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JS_BH,
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MACSERIAL_BH,
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ISICOM_BH
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};
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*/
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void init_bh(int nr, void (*routine)(void))
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{
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bh_base[nr] = routine;//tasklet最终要去执行的函数
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mb();//内存屏障
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}
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//初始化bh_task_vec[]
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void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,void (*func)(unsigned long), unsigned long data)
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{
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t->func = func;//全部指向bh_action()
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t->data = data;
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t->state = 0;
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atomic_set(&t->count, 0);//使用计数设为0
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}
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4.软中断初始化
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void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action*), void *data)
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{
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unsigned long flags;
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int i;
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spin_lock_irqsave(&softirq_mask_lock, flags);
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softirq_vec[nr].data = data;
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softirq_vec[nr].action = action;//若是TASKLET_SOFTIRQ,则指向tasklet_action()
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//将所有CPU的软中断屏蔽掩码变量softirq_mask中的对应位设置为1,以使能该软中断向量
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for (i=0; i<NR_CPUS; i++)//NR_CPUS是系统cpu个数
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softirq_mask(i) |= (1<<nr);
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spin_unlock_irqrestore(&softirq_mask_lock, flags);
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}
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三、tasklet机制的软中断执行
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/*bottom half通过发送软中断信号HI_SOFTIRQ,linux通过do_softirq处理,这时的过程是
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do_softirq-> tasklet_hi_action-> bh_task_vec->bh_action->bh_base。最终处理工作由bh_base函数指针数组指向的函数完成。
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init_bh(TIMER_BH, timer_bh);
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init_bh(TQUEUE_BH, tqueue_bh);
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init_bh(IMMEDIATE_BH, immediate_bh);
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所以计时器bottom half的最终处理函数是timer_bh。
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*/
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//mark_bh()提出执行保护函数的请求
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static inline void mark_bh(int nr)
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{
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tasklet_hi_schedule(bh_task_vec+nr);
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}
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//tasklet_vec[]数组用于软中断向量TASKLET_SOFTIRQ,而tasklet_hi_vec[]数组则用于软中断向量 HI_SOFTIRQ。
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static inline void tasklet_hi_schedule(struct tasklet_struct *t)
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{
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if (!test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state)) {//是否已经挂在别的队列上
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int cpu = smp_processor_id();
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unsigned long flags;
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local_irq_save(flags);
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t->next = tasklet_hi_vec[cpu].list;
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tasklet_hi_vec[cpu].list = t;//将tasklet挂入bh请求队列,即将bh_task_vec[nr]挂入头部指针tasklet_hi_vec中
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__cpu_raise_softirq(cpu, HI_SOFTIRQ);//发出软中断请求
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local_irq_restore(flags);
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}
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}
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static inline void __cpu_raise_softirq(int cpu, int nr)
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{
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softirq_active(cpu) |= (1<<nr);//软中断请求寄存器相应位置1
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}
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//在do_IRQ()执行完服务程序时,都会检查是否有软中断在等待
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//if (softirq_active(cpu) & softirq_mask(cpu))
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// do_softirq();
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//do_softirq-> tasklet_hi_action-> bh_task_vec->bh_action->bh_base。最终处理工作由bh_base函数指针数组指向的函数完成
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asmlinkage void do_softirq()
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{
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52 int cpu = smp_processor_id();
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53 __u32 active, mask;
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54
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55 if (in_interrupt())//不允许在硬中断服务程序和软中断服务程序中运行
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56 return;
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57 /*#define cpu_bh_disable(cpu) do { local_bh_count(cpu)++; barrier(); } while (0)
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#define cpu_bh_enable(cpu) do { barrier(); local_bh_count(cpu)--;} while (0)
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#define local_bh_disable() cpu_bh_disable(smp_processor_id())
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#define local_bh_enable() cpu_bh_enable(smp_processor_id())
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*/
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58 local_bh_disable();//把当前CPU的中断统计信息结构中的__local_bh_count成员变量加1,表示当前CPU已经处在软中断服务状态。
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60 local_irq_disable();//关中断
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61 mask = softirq_mask(cpu);//
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62 active = softirq_active(cpu) & mask;//与mask相与看是否有软中断服务被触发
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63
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64 if (active) {
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65 struct softirq_action *h;
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restart:
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69 softirq_active(cpu) &= ~active;//先将当前CPU的__softirq_active中的相应位清零
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71 local_irq_enable();//打开当前CPU的中断
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72 //若是tasklet,则softirq_vec->action指向tasklet_action()
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//若是HI_SOFTIRQ, 则softirq_vec->action指向tasklet_hi_action()
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73 h = softirq_vec;
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74 mask &= ~active;
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75
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76 do {
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77 if (active & 1)
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78 h->action(h);//循环来根据active的值去执行相应的软中断服务函数
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79 h++; //若是tasklet,去执行tasklet_action()
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80 active >>= 1;
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81 } while (active);
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82
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83 local_irq_disable();//关中断,是为了下面再一次检查active的值
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84
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85 active = softirq_active(cpu);//读取当前CPU的 __softirq_active变量的值,
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86 if ((active &= mask) != 0)//并将它与局部变量mask进行与操作,以看看是否又有其他软中断服务被触发了
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87 goto retry;
-
88 }
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90 local_bh_enable();//表示当前CPU已经离开软中断服务状态
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96 return;
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97
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retry:
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99 goto restart;
-
}
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static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
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{
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126 int cpu = smp_processor_id();
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127 struct tasklet_struct *list;
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128
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129 local_irq_disable();
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130 list = tasklet_vec[cpu].list;//从tasklet_vec数组中取出队列头
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131 tasklet_vec[cpu].list = NULL;
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132 local_irq_enable();
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133
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134 while (list != NULL) {//遍历由list所指向的tasklet队列,队列中的各个元素就是将在当前CPU上执行的tasklet
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135 struct tasklet_struct *t = list;
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137 list = list->next;
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138 //依次取出队列中的bh_task_vec[nr]
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139 if (tasklet_trylock(t)) {
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140 if (atomic_read(&t->count) == 0) {//如果count为0,说明这个tasklet是允许执行的
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141 clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state);//清TASKLET_STATE_SCHED标志
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143 t->func(t->data);//执行bh_task_vec[nr]->func,都指向bh_action()
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#ifdef CONFIG_SMP
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150 smp_mb__before_clear_bit();
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#endif
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152 tasklet_unlock(t);
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153 continue;
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154 }
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155 tasklet_unlock(t);
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156 }
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157 local_irq_disable();
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158 t->next = tasklet_vec[cpu].list;
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159 tasklet_vec[cpu].list = t;//把这个tasklet重新放回到当前CPU的tasklet队列的首部
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160 __cpu_raise_softirq(cpu, TASKLET_SOFTIRQ);//再触发一次软中断请求TASKLET_SOFTIRQ
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161 local_irq_enable();
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162 }
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}
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static void bh_action(unsigned long nr)
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{
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248 int cpu = smp_processor_id();//当前cpu的逻辑号
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249 //试图对自旋锁global_bh_lock进行加锁,同时该函数还将返回自旋锁global_bh_lock 的原有值的非
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250 if (!spin_trylock(&global_bh_lock))
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251 goto resched;
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252 //锁定当前CPU,确保当前CPU不是处于硬件中断请求服务中
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253 if (!hardirq_trylock(cpu))
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254 goto resched_unlock;
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255 //当前CPU上执行BH函数
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256 if (bh_base[nr])//若是TIMER_BH, timer_bh
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257 bh_base[nr]();//这里会去执行timer_bh()函数
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258
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259 hardirq_endlock(cpu);
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260 spin_unlock(&global_bh_lock);
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261 return;
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262
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resched_unlock:
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264 spin_unlock(&global_bh_lock);
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resched:
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266 mark_bh(nr);
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}
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四、实现原理
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1.软中断实现原理图
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