IA32上Linux内核中断机制分析
中断是计算机与外界联系的唯一途径。本文将分析在IA-32体系结构上的Linux内核对待中断系统的处理，针对的是2.6内核，引用的代码则具体则是2.6.14的。
一。几个相关概念的澄清
1, 中断信号：
在电路级别来说，中断就是输送到CPU的INTR引脚上的电平信号。
2, 可编程中断控制器（PIC，Programmable
Interrupt Controller）：
PIC是在计算机外部设备与CPU之间的芯片，它负责把自己接收到的外部中断信号，提交给CPU。在80386中，PIC是两片i8259A芯片级联；在Pentium以及后来的CPU中，集成了一个叫做高级可编程中断控制器（Advanced
Programmable Interrupt Controller）的PIC。如果你想用IA32处理器搭建SMP系统，则APIC是必不可少的。
3, 中断向量与中断号：
中断向量是Intel从IA-32
CPU角度看到的中断信号划分；中断号则是Linux系统对外部中断的号码分配。
当外设把中断信号递送给PIC时，与之关联的是一个“中断号”（每个中断号对应一条中断线，从软件的角度来看，这两个术语可以混用）；当PIC把这个中断信号发送给CPU时，与之关联的是一个“中断向量”。
在IA-32体系结构中，所有的异常和不可屏蔽中断（Non-Maskable
Interrupt）的中断向量都是Intel预先定义的，软件无法更改；可屏蔽中断的中断向量可以通过编程来更改。在Linux上，0号中断（也就是时钟中断）对应的中断向量是0x20,也就是十进制的32。
4, 异常（Exception）
顾名思义，异常是指CPU检测到了某种不正常的情形出现。CPU产生的异常是不可屏蔽的（eflags寄存器的IF位对异常不起作用）,根据异常处理程序返回时，是否需要重新执行引发异常的那条指令，又可以把异常分为3种：
1）故障（Fault）。故障是比较轻微的异常，返回时重新执行引发故障的那条指令。
2）陷阱（Trap）。陷阱处理返回时，不重新执行引发陷阱的那条指令。
3）中止（Abort）。中止是严重的异常，将导致任务的中止而不会返回。
还有一种是程序产生的异常，如INT3指令、BOUND指令等。CPU把这种异常当作是陷阱来处理。
5, 中断描述表IDT
异常与中断发生时，都需要到IDT中查找相关信息，以找到对应的处理程序以及其他动作。需要注意的是，保护模式下发生权限提升时，中断穿越的是中断门，而异常穿越的是陷阱门。二者的区别是：当CPU穿越中断门时，是自动关中断的；而穿越异常门则不会。
二。重要数据结构与函数
在系统引导期间，需要初试化中断处理（asm/i386/kernel/entry.S）：
422 #define
BUILD_INTERRUPT(name, nr)
423 ENTRY(name)
424 pushl $nr-256;
#这里得到一个负数，因为正数留给系统调用
425 SAVE_ALL
#保存寄存器
426 movl %esp,%eax;
427
call smp_/**/name;
428 jmp
ret_from_intr;
其中，SAVE_ALL宏就是用来保存寄存器的。
内核书籍中经常提到的中断上下文，指的是内核正在运行中断服务程序或softirq，无法代表当前进程的情形。中断上下文没有自己专有的堆栈，相反，它借用被中断进程的内核堆栈──IA-32上的Linux默认这个堆栈只有8k大小，而且很可能在处理中断的过程中又被另一个中断源中断。因此如果你自己编写中断处理程序，递归层次太深或者函数局部变量太大，都有可能导致栈溢出。（i386有一个4KStacks补丁，如果编译时打开该选项，则中断上下文使用独立的栈，而不占用被中断进程的。）
在include/linux/irq.h文件中，定义了一个中断描述数组iqr_desc[NR_IRQS]，每一个中断向量都与它的一个元素相关联：
70 typedef struct irq_desc {
71 hw_irq_controller
*handler;
72 void *handler_data;
73 struct
irqaction *action; /* IRQ action list */
74 unsigned int
status; /* IRQ status */
75 unsigned int depth;
/* nested irq disables */
76 unsigned int irq_count;
/* For detecting broken interrupts */
77 unsigned int
irqs_unhandled;
78 spinlock_t lock;
79 #if defined
(CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ) || defined (CONFIG_IRQBALANCE)
80
unsigned int move_irq; /* Flag need to re-target intr dest*/
81
#endif
82 } ____cacheline_aligned irq_desc_t;
/*告诉GCC与CPU的L1告诉缓存对齐*/
83
84 extern irq_desc_t irq_desc
[NR_IRQS];
当一个中断发生时，内核的处理是这样的（arch/i386/kernel/entry.S）：
416
common_interrupt:
417 SAVE_ALL
418 movl
%esp,%eax
419 call do_IRQ
420 jmp
ret_from_intr
SAVE_ALL宏定义在entry.S中，负责保存寄存器，再将%esp寄存器移送到%eax中，调用do_IRQ()函数（arch/i386/kernel/irq.c）:
/*
*
do_IRQ()函数负责处理所有的外部设备中断（处理器间中断由它们各自
* 的处理函数来处理
*/
fastcall unsigned int
do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
/* high bits used in
ret_from_ code */
int irq = regs->orig_eax & 0xff;
/* i386上如果定义了CONFIG_4KSTAKS，就申请独立的栈，而不占用被中断进程的*/
#ifdef CONFIG_4KSTACKS
union irq_ctx *curctx, *irqctx;
u32 *isp;
#endif
irq_enter();
#ifdef CONFIG_DEBUG_STACKOVERFLOW
/*
检查堆栈溢出的代码，此处省去。 */
#endif
#ifdef CONFIG_4KSTACKS
curctx
= (union irq_ctx *) current_thread_info();
irqctx =
hardirq_ctx[smp_processor_id()];
/*
*
这是我们切换到中断栈的地方。然而，如果我们已经在使用中断栈（也
*
就是说，我们这次是中断了一个中断处理程序），我们就不切换栈，而
* 是继续使用当前的栈（此时，“当前的栈”是一个中断栈）
*/
if (curctx != irqctx) {
int arg1, arg2,
ebx;
/* build the stack frame on the IRQ stack */
isp = (u32*) ((char*)irqctx + sizeof(*irqctx));
irqctx->tinfo.task = curctx->tinfo.task;
irqctx->tinfo.previous_esp = current_stack_pointer;
asm volatile(
" xchgl %%ebx,%%esp
n"
" call __do_IRQ n"
" movl %%ebx,%%esp n"
:
"=a" (arg1), "=d" (arg2), "=b" (ebx)
: "0" (irq),
"1" (regs), "2" (isp)
: "memory", "cc", "ecx"
);
} else
#endif
__do_IRQ(irq,
regs); //真正的中断处理
irq_exit(); /* 如果需要，处理softirq。
注意，这里有两种可能不需要处理softirq：1,
local_softirq_pending为假；2,我们刚刚是中断了一个中断，嵌套中断没有最终返回之前，softirq是不能处理的。 */
return 1;
}
注意，fastcall是在include/asm-i386/linkage.h中定义的宏，它指导GCC连接时把fastcall修饰的函数的前三个参数用寄存器传递。另外一个类似的宏asmlinkage则告诉GCC不要用寄存器传递参数，asmlinkage和fastcall不能共存。
上面的do_IRQ()函数调用的__do_IRQ()代码如下（arch/i386/kernel/irq.c）
fastcall
unsigned int __do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
{
irq_desc_t *desc = irq_desc + irq; /* 找到在irq_desc数组中的位置 */
struct
irqaction * action; /* 取得相应的irqaction结构 */
unsigned int
status;
kstat_this_cpu.irqs[irq]++;
if
(CHECK_IRQ_PER_CPU(desc->status)) {
irqreturn_t
action_ret;
/*
*
因为irq_desc[]数组中，每个CPU占一个元素，这里的desc就是本CPU
*
数据，所以此处不需要加锁。
*/
desc->handler->ack(irq);
action_ret =
handle_IRQ_event(irq, regs, desc->action);
desc->handler->end(irq);
return 1;
}
spin_lock(&desc->lock);
desc->handler->ack(irq); /* 给i8259A或APIC应答信号 */
/*
* REPLAY is when Linux resends an IRQ that was dropped earlier
*
WAITING is used by probe to mark irqs that are being tested
*/
status = desc->status & ~(IRQ_REPLAY | IRQ_WAITING);
status |= IRQ_PENDING; /* we _want_ to handle it */
/*
* If the IRQ is disabled for whatever reason, we cannot
* use the
action we have.
*/
action = NULL;
if
(likely(!(status & (IRQ_DISABLED | IRQ_INPROGRESS)))) { /*
判断该IRQ是否是被禁止的，或者是已经在其他CPU上被处理 */
action =
desc->action;
status &= ~IRQ_PENDING; /* 我们将处理它
*/
status |= IRQ_INPROGRESS; /* 置位IRQ_INPROGRESS，以便其他CPU注意
*/
}
desc->status = status;
/*
* 如果该IRQ没有处理函数，或者被禁止了，及早离开。
*
因为我们置位了PENDING，如果别的CPU正在处理该IRQ的
* 另一个实例，它就会小心些。
*/
if (unlikely(!action))
goto out;
/*
* Edge triggered interrupts need to remember
* pending
events.
* This applies to any hw interrupts that allow a second
* instance of the same irq to arrive while we are in do_IRQ
*
or in the handler. But the code here only handles the _second_
*
instance of the irq, not the third or fourth. So it is mostly
*
useful for irq hardware that does not mask cleanly in an
* SMP
environment.
*/
for (;;) {
irqreturn_t action_ret;
spin_unlock(&desc->lock);
action_ret =
handle_IRQ_event(irq, regs, action);
spin_lock(&desc->lock);
if (!noirqdebug)
note_interrupt(irq, desc, action_ret, regs);
if
(likely(!(desc->status & IRQ_PENDING)))
break;
desc->status &= ~IRQ_PENDING;
}
desc->status &= ~IRQ_INPROGRESS;
out:
/*
* ->end()用来处理那些由于别的CPU正在运行其处理程序而被禁止的中断
*/
desc->handler->end(irq);
spin_unlock(&desc->lock);
return 1;
}
三。中断机制在SMP系统上的变化
当intel考虑如何在IA-32上架构SMP时，原来的中断控制器i8259A就显得力不从心了。在SMP上，必须考虑外部设备来的中断信号如何传递给某个合适的CPU问题，必须考虑IPI（Inter-Percossor
Interrupt，处理器间中断）问题。Intel自Pentium之后，在CPU中集成了APIC，在SMP上，主板上有一个（至少一个，有的主板有多个IO-APIC，用来更好的分发中断信号）全局的APIC，它负责从外设接收中断信号，再分发到CPU上，这个全局的APIC被称作IO-APIC。
SMP的中断机制如下图所示：
[ 本帖最后由 platinum 于 2005-11-21 15:31 编辑
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(百無一用書生) 
