mysileng

      中斷還是中斷，我講了很多次的中斷了，今天還是要講中斷，為啥呢？因?yàn)樵诓僮飨到y(tǒng)中，中斷是必須要講的..

       那么什么叫中斷呢， 中斷還是打斷，這樣一說(shuō)你就不明白了。唉，中斷還真是有點(diǎn)像打斷。我們知道linux管理所有的硬件設(shè)備，要做的第一件事先是通信。然后，我們天天在說(shuō)一句話：處理器的速度跟外圍硬件設(shè)備的速度往往不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，甚至幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，這時(shí)咋辦，你總不能讓處理器在那里傻等著你硬件做好了告訴我一聲吧。這很容易就和日常生活聯(lián)系起來(lái)了，這樣效率太低，不如我處理器做別的事情，你硬件設(shè)備準(zhǔn)備好了，告訴我一聲就得了。這個(gè)告訴，咱們說(shuō)的輕松，做起來(lái)還是挺費(fèi)勁啊！怎么著，簡(jiǎn)單一點(diǎn)，輪訓(xùn)(polling)可能就是一種解決方法，缺點(diǎn)是操作系統(tǒng)要做太多的無(wú)用功，在那里傻傻的做著不重要而要重復(fù)的工作，這里有更好的辦法---中斷，這個(gè)中斷不要緊，關(guān)鍵在于從硬件設(shè)備的角度上看，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)為主動(dòng)的歷史性突破。

       中斷的例子我就不說(shuō)了，這個(gè)很顯然啊。分析中斷，本質(zhì)上是一種特殊的電信號(hào)，由硬件設(shè)備發(fā)向處理器，處理器接收到中斷后，會(huì)馬上向操作系統(tǒng)反應(yīng)此信號(hào)的帶來(lái)，然后就由OS負(fù)責(zé)處理這些新到來(lái)的數(shù)據(jù)，中斷可以隨時(shí)發(fā)生，才不用操心與處理器的時(shí)間同步問(wèn)題。不同的設(shè)備對(duì)應(yīng)的中斷不同，他們之間的不同從操作系統(tǒng)級(jí)來(lái)看，差別就在于一個(gè)數(shù)字標(biāo)識(shí)-----中斷號(hào)。專業(yè)一點(diǎn)就叫中斷請(qǐng)求(IRQ)線,通常IRQ都是一些數(shù)值量。有些體系結(jié)構(gòu)上，中斷好是固定的，有的是動(dòng)態(tài)分配的，這不是問(wèn)題所在，問(wèn)題在于特定的中斷總是與特定的設(shè)備相關(guān)聯(lián)，并且內(nèi)核要知道這些信息，這才是最關(guān)鍵的,不是么？哈哈.

       用書上一句話說(shuō)：討論中斷就不得不提及異常，異常和中斷不一樣，它在產(chǎn)生時(shí)必須要考慮與處理器的時(shí)鐘同步，實(shí)際上，異常也常常稱為同步中斷，在處理器執(zhí)行到由于編程失誤而導(dǎo)致的錯(cuò)誤指令的時(shí)候，或者是在執(zhí)行期間出現(xiàn)特殊情況，必須要靠?jī)?nèi)核來(lái)處理的時(shí)候，處理器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常。因?yàn)樵S多處理器體系結(jié)構(gòu)處理異常以及處理中斷的方式類似，因此，內(nèi)核對(duì)它們的處理也很類似。這里的討論，大部分都是適合異常，這時(shí)可以看成是處理器本身產(chǎn)生的中斷。

       中斷產(chǎn)生告訴中斷控制器，繼續(xù)告訴操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核總是要處理的，是不？這里內(nèi)核會(huì)執(zhí)行一個(gè)叫做中斷處理程序或中斷處理例程的函數(shù)。這里特別要說(shuō)明，中斷處理程序是和特定中斷相關(guān)聯(lián)的，而不是和設(shè)備相關(guān)聯(lián)，如果一個(gè)設(shè)備可以產(chǎn)生很多中斷，這時(shí)該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序也就需要準(zhǔn)備多個(gè)這樣的函數(shù)。一個(gè)中斷處理程序是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一部分，這個(gè)我們?cè)趌inux設(shè)備驅(qū)動(dòng)中已經(jīng)說(shuō)過(guò)，就不說(shuō)了，后面我也會(huì)提到一些。前邊說(shuō)過(guò)一個(gè)問(wèn)題：中斷是可能隨時(shí)發(fā)生的，因此必須要保證中斷處理程序也能隨時(shí)執(zhí)行，中斷處理程序也要盡可能的快速執(zhí)行，只有這樣才能保證盡可能快地恢復(fù)中斷代碼的執(zhí)行。

       但是，不想說(shuō)但是，大學(xué)第一節(jié)逃課的情形現(xiàn)在仍記憶猶新：又想馬兒跑，又想馬兒不吃草，怎么可能！但現(xiàn)實(shí)問(wèn)題或者不像想象那樣悲觀，我們的中斷說(shuō)不定還真有奇跡發(fā)生。這個(gè)奇跡就是將中斷處理切為兩個(gè)部分或兩半。中斷處理程序上半部(top half)---接收到一個(gè)中斷，它就立即開(kāi)始開(kāi)始執(zhí)行，但只做嚴(yán)格時(shí)限的工作，這些工作都是在所有中斷被禁止的情況下完成的。同時(shí)，能夠被允許稍后完成的工作推遲到下半部(bottom half)去，此后，下半部會(huì)被執(zhí)行，通常情況下，下半部都會(huì)在中斷處理程序返回時(shí)立即執(zhí)行。我會(huì)在后面談?wù)搇inux所提供的是實(shí)現(xiàn)下半部的各種機(jī)制。

       說(shuō)了那么多，現(xiàn)在開(kāi)始第一個(gè)問(wèn)題：如何注冊(cè)一個(gè)中斷處理程序。我們?cè)趌inux驅(qū)動(dòng)程序理論里講過(guò)，通過(guò)一下函數(shù)可注冊(cè)一個(gè)中斷處理程序：

       有關(guān)這個(gè)中斷的一些參數(shù)說(shuō)明，我就不說(shuō)了，一旦注冊(cè)了一個(gè)中斷處理程序，就肯定會(huì)有釋放中斷處理，這是調(diào)用下列函數(shù)：

       這里需要說(shuō)明的就是要必須要從進(jìn)程上下文調(diào)用free_irq().好了，現(xiàn)在給出一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)過(guò)程,首先聲明一個(gè)中斷處理程序：

       注意：這里的類型和前邊說(shuō)到的request_irq()所要求的參數(shù)類型是匹配的，參數(shù)不說(shuō)了。對(duì)于返回值，中斷處理程序的返回值是一個(gè)特殊類型，irqrequest_t,可能返回兩個(gè)特殊的值：IRQ_NONE和IRQ_HANDLED.當(dāng)中斷處理程序檢測(cè)到一個(gè)中斷時(shí)，但該中斷對(duì)應(yīng)的設(shè)備并不是在注冊(cè)處理函數(shù)期間指定的產(chǎn)生源時(shí)，返回IRQ_NONE;當(dāng)中斷處理程序被正確調(diào)用，且確實(shí)是它所對(duì)應(yīng)的設(shè)備產(chǎn)生了中斷時(shí)，返回IRQ_HANDLED.C此外，也可以使用宏IRQ_RETVAL(x)，如果x非0值，那么該宏返回IRQ_HANDLED,否則，返回IRQ_NONE.利用這個(gè)特殊的值，內(nèi)核可以知道設(shè)備發(fā)出的是否是一種虛假的(未請(qǐng)求)中斷。如果給定中斷線上所有中斷處理程序返回的都是IRQ_NONE，那么，內(nèi)核就可以檢測(cè)到出了問(wèn)題。最后，需要說(shuō)明的就是那個(gè)static了，中斷處理程序通常會(huì)標(biāo)記為static，因?yàn)樗鼜膩?lái)不會(huì)被別的文件中的代碼直接調(diào)用。另外，中斷處理程序是無(wú)需重入的，當(dāng)一個(gè)給定的中斷處理程序正在執(zhí)行時(shí)，相應(yīng)的中斷線在所有處理器上都會(huì)被屏蔽掉，以防止在同一個(gè)中斷上接收另外一個(gè)新的中斷。通常情況下，所有其他的中斷都是打開(kāi)的，所以這些不同中斷線上的其他中斷都能被處理，但當(dāng)前中斷總是被禁止的。由此可見(jiàn)，同一個(gè)中斷處理程序絕對(duì)不會(huì)被同時(shí)調(diào)用以處理嵌套的中斷。      

       下面要說(shuō)到的一個(gè)問(wèn)題是和共享的中斷處理程序相關(guān)的。共享和非共享在注冊(cè)和運(yùn)行方式上比較相似的。差異主要有以下幾點(diǎn)：

       在指定SA_SHIRQ標(biāo)志以調(diào)用request_irq()時(shí)，只有在以下兩種情況下才能成功：中斷當(dāng)前未被注冊(cè)或者在該線上的所有已注冊(cè)處理程序都指定了SA_SHIRQ.A。注意，在這一點(diǎn)上2.6與以前的內(nèi)核是不同的，共享的處理程序可以混用SA_INTERRUPT.  一旦內(nèi)核接收到一個(gè)中斷后，它將依次調(diào)用在該中斷線上注冊(cè)的每一個(gè)處理程序。因此一個(gè)處理程序必須知道它是否應(yīng)該為這個(gè)中斷負(fù)責(zé)。如果與它相關(guān)的設(shè)備并沒(méi)有產(chǎn)生中斷，那么中斷處理程序應(yīng)該立即退出，這需要硬件設(shè)備提供狀態(tài)寄存器(或類似機(jī)制)，以便中斷處理程序進(jìn)行檢查。毫無(wú)疑問(wèn)，大多數(shù)設(shè)備都提這種功能。

       當(dāng)執(zhí)行一個(gè)中斷處理程序或下半部時(shí)，內(nèi)核處于中斷上下文(interrupt context)中。對(duì)比進(jìn)程上下文，進(jìn)程上下文是一種內(nèi)核所處的操作模式，此時(shí)內(nèi)核代表進(jìn)程執(zhí)行，可以通過(guò)current宏關(guān)聯(lián)當(dāng)前進(jìn)程。此外，因?yàn)檫M(jìn)程是進(jìn)程上下文的形式連接到內(nèi)核中，因此，在進(jìn)程上下文可以隨時(shí)休眠，也可以調(diào)度程序。但中斷上下文卻完全不是這樣，它可以休眠，因?yàn)槲覀儾荒軓闹袛嗌舷挛闹姓{(diào)用函數(shù)。如果一個(gè)函數(shù)睡眠，就不能在中斷處理程序中使用它，這也是對(duì)什么樣的函數(shù)能在中斷處理程序中使用的限制。還需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，中斷處理程序沒(méi)有自己的棧，相反，它共享被中斷進(jìn)程的內(nèi)核棧，如果沒(méi)有正在運(yùn)行的進(jìn)程，它就使用idle進(jìn)程的棧。因?yàn)橹袛喑绦蚬蚕韯e人的堆棧，所以它們?cè)跅Ｖ蝎@取空間時(shí)必須非常節(jié)省。內(nèi)核棧在32位體系結(jié)構(gòu)上是8KB，在64位體系結(jié)構(gòu)上是16KB.執(zhí)行的進(jìn)程上下文和產(chǎn)生的所有中斷都共享內(nèi)核棧。
       下面給出中斷從硬件到內(nèi)核的路由過(guò)程(截圖選自liuux內(nèi)核分析與設(shè)計(jì)p61)，然后做出總結(jié)：

                                          圖一       中斷從硬件到內(nèi)核的路由

       上面的圖內(nèi)部說(shuō)明已經(jīng)很明確了，我這里就不在詳談。在內(nèi)核中，中斷的旅程開(kāi)始于預(yù)定義入口點(diǎn)，這類似于系統(tǒng)調(diào)用。對(duì)于每條中斷線，處理器都會(huì)跳到對(duì)應(yīng)的一個(gè)唯一的位置。這樣，內(nèi)核就可以知道所接收中斷的IRQ號(hào)了。初始入口點(diǎn)只是在棧中保存這個(gè)號(hào)，并存放當(dāng)前寄存器的值(這些值屬于被中斷的任務(wù))；然后，內(nèi)核調(diào)用函數(shù)do_IRQ().從這里開(kāi)始，大多數(shù)中斷處理代碼是用C寫的。do_IRQ()的聲明如下：

       因?yàn)镃的調(diào)用慣例是要把函數(shù)參數(shù)放在棧的頂部，因此pt_regs結(jié)構(gòu)包含原始寄存器的值，這些值是以前在匯編入口例程中保存在棧上的。中斷的值也會(huì)得以保存，所以，do_IRQ()可以將它提取出來(lái)，X86的代碼為：

       計(jì)算出中斷號(hào)后，do_IRQ()對(duì)所接收的中斷進(jìn)行應(yīng)答，禁止這條線上的中斷傳遞。在普通的PC機(jī)器上，這些操作是由mask_and_ack_8259A()來(lái)完成的，該函數(shù)由do_IRQ()調(diào)用。接下來(lái)，do_IRQ()需要確保在這條中斷線上有一個(gè)有效的處理程序，而且這個(gè)程序已經(jīng)啟動(dòng)但是當(dāng)前沒(méi)有執(zhí)行。如果這樣的話， do_IRQ()就調(diào)用handle_IRQ_event()來(lái)運(yùn)行為這條中斷線所安裝的中斷處理程序，有關(guān)處理例子，可以參考linux內(nèi)核設(shè)計(jì)分析一書，我這里就不細(xì)講了。在handle_IRQ_event()中，首先是打開(kāi)處理器中斷，因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)說(shuō)過(guò)處理器上所有中斷這時(shí)是禁止中斷(因?yàn)槲覀冋f(shuō)過(guò)指定SA_INTERRUPT)。接下來(lái)，每個(gè)潛在的處理程序在循環(huán)中依次執(zhí)行。如果這條線不是共享的，第一次執(zhí)行后就退出循環(huán)，否則，所有的處理程序都要被執(zhí)行。之后，如果在注冊(cè)期間指定了SA_SAMPLE_RANDOM標(biāo)志，則還要調(diào)用函數(shù)add_interrupt_randomness(),這個(gè)函數(shù)使用中斷間隔時(shí)間為隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生熵。最后，再將中斷禁止(do_IRQ()期望中斷一直是禁止的)，函數(shù)返回。該函數(shù)做清理工作并返回到初始入口點(diǎn)，然后再?gòu)倪@個(gè)入口點(diǎn)跳到函數(shù)ret_from_intr().該函數(shù)類似初始入口代碼，以匯編編寫，它會(huì)檢查重新調(diào)度是否正在掛起，如果重新調(diào)度正在掛起，而且內(nèi)核正在返回用戶空間(也就是說(shuō)，中斷了用戶進(jìn)程)，那么schedule()被調(diào)用。如果內(nèi)核正在返回內(nèi)核空間(也就是中斷了內(nèi)核本身)，只有在preempt_count為0時(shí)，schedule()才會(huì)被調(diào)用(否則，搶占內(nèi)核是不安全的)。在schedule()返回之前，或者如果沒(méi)有掛起的工作，那么，原來(lái)的寄存器被恢復(fù)，內(nèi)核恢復(fù)到曾經(jīng)中斷的點(diǎn)。在x86上，初始化的匯編例程位于arch/i386/kernel/entry.S,C方法位于arch/i386/kernel/irq.c其它支持的結(jié)構(gòu)類似。

       下邊給出PC機(jī)上位于/proc/interrupts文件的輸出結(jié)果，這個(gè)文件存放的是系統(tǒng)中與中斷相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，這里就解釋一下這個(gè)表：

       上面是這個(gè)文件的輸入，第一列是中斷線(中斷號(hào))，第二列是一個(gè)接收中斷數(shù)目的計(jì)數(shù)器，第三列是處理這個(gè)中斷的中斷控制器，最后一列是與這個(gè)中斷有關(guān)的設(shè)備名字，這個(gè)名字是通過(guò)參數(shù)devname提供給函數(shù)request_irq()的。最后，如果中斷是共享的，則這條中斷線上注冊(cè)的所有設(shè)備都會(huì)列出來(lái)，如4號(hào)中斷。

        Linux內(nèi)核給我們提供了一組接口能夠讓我們控制機(jī)器上的中斷狀態(tài)，這些接口可以在<asm/system.h>和<asm/irq.h>中找到。一般來(lái)說(shuō)，控制中斷系統(tǒng)的原因在于需要提供同步，通過(guò)禁止中斷，可以確保某個(gè)中斷處理程序不會(huì)搶占當(dāng)前的代碼。此外，禁止中斷還可以禁止內(nèi)核搶占。然而，不管是禁止中斷還是禁止內(nèi)核搶占，都沒(méi)有提供任何保護(hù)機(jī)制來(lái)防止來(lái)自其他處理器的并發(fā)訪問(wèn)。Linux支持多處理器，因此，內(nèi)核代碼一般都需要獲取某種鎖，防止來(lái)自其他處理器對(duì)共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問(wèn)，獲取這些鎖的同時(shí)也伴隨著禁止本地中斷。鎖提供保護(hù)機(jī)制，防止來(lái)自其他處理器的并發(fā)訪問(wèn)，而禁止中斷提供保護(hù)機(jī)制，則是防止來(lái)自其他中斷處理程序的并發(fā)訪問(wèn)。

       在linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)理論帖里詳細(xì)介紹過(guò)linux的中斷操作接口，這里就大致過(guò)一下，禁止/使能本地中斷(僅僅是當(dāng)前處理器)用：

       如果在調(diào)用local_irq_disable()之前已經(jīng)禁止了中斷，那么該函數(shù)往往會(huì)帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)，同樣的local_irq_enable()也存在潛在的危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼘o(wú)條件的激活中斷，盡管中斷可能在開(kāi)始時(shí)就是關(guān)閉的。所以我們需要一種機(jī)制把中斷恢復(fù)到以前的狀態(tài)而不是簡(jiǎn)單地禁止或激活，內(nèi)核普遍關(guān)心這點(diǎn)，是因?yàn)閮?nèi)核中一個(gè)給定的代碼路徑可以在中斷激活餓情況下達(dá)到，也可以在中斷禁止的情況下達(dá)到，這取決于具體的調(diào)用鏈。面對(duì)這種情況，在禁止中斷之前保存中斷系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)更加安全一些。相反，在準(zhǔn)備激活中斷時(shí)，只需把中斷恢復(fù)到它們?cè)瓉?lái)的狀態(tài)：

       參數(shù)包含具體體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，也就是包含中斷系統(tǒng)的狀態(tài)。至少有一種體系結(jié)構(gòu)把棧信息與值相結(jié)合(SPARC),因此flags不能傳遞給另一個(gè)函數(shù)(換句話說(shuō)，它必須駐留在同一個(gè)棧幀中)，基于這個(gè)原因，對(duì)local_irq_save()的調(diào)用和local_irq_restore()的調(diào)用必須在同一個(gè)函數(shù)中進(jìn)行。前面的所有的函數(shù)既可以在中斷中調(diào)用，也可以在進(jìn)程上下文使用。

       前面我提到過(guò)禁止整個(gè)CPU上所有中斷的函數(shù)。但有時(shí)候，好奇的我就想，我干么沒(méi)要禁止掉所有的中斷，有時(shí)，我只需要禁止系統(tǒng)中一條特定的中斷就可以了(屏蔽掉一條中斷線)，這就有了我下面給出的接口：

       對(duì)有關(guān)函數(shù)的說(shuō)明和注意，我前邊已經(jīng)說(shuō)的很清楚了，這里飄過(guò)。另外，禁止多個(gè)中斷處理程序共享的中斷線是不合適的。禁止中斷線也就禁止了這條線上所有設(shè)備的中斷傳遞，因此，用于新設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該傾向于不使用這些接口。另外，我們也可以通過(guò)宏定義在<asm/system.h>中的宏irqs_disable()來(lái)獲取中斷的狀態(tài)，如果中斷系統(tǒng)被禁止，則它返回非0，否則，返回0；用定義在<asm/hardirq.h>中的兩個(gè)宏in_interrupt()和in_irq()來(lái)檢查內(nèi)核的當(dāng)前上下文的接口。由于代碼有時(shí)要做一些像睡眠這樣只能從進(jìn)程上下文做的事，這時(shí)這兩個(gè)函數(shù)的價(jià)值就體現(xiàn)出來(lái)了。

       最后，作為對(duì)這篇博客的總結(jié)，這里給出我前邊提到的用于控制中斷的方法列表：