Linux中斷（interrupt）子系統(tǒng)之一：中斷系統(tǒng)基本原理

作者：時(shí)間：2016-12-14 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　　這個(gè)中斷系列文章主要針對(duì)移動(dòng)設(shè)備中的Linux進(jìn)行討論，文中的例子基本都是基于ARM這一體系架構(gòu)，其他架構(gòu)的原理其實(shí)也差不多，區(qū)別只是其中的硬件抽象層。內(nèi)核版本基于3.3。雖然內(nèi)核的版本不斷地提升，不過自從上一次變更到當(dāng)前的通用中斷子系統(tǒng)后，大的框架性的東西并沒有太大的改變。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/201612/341595.htm

　　1. 設(shè)備、中斷控制器和CPU

　　一個(gè)完整的設(shè)備中，與中斷相關(guān)的硬件可以劃分為3類，它們分別是：設(shè)備、中斷控制器和CPU本身，下圖展示了一個(gè)smp系統(tǒng)中的中斷硬件的組成結(jié)構(gòu)：

　　圖 1.1 中斷系統(tǒng)的硬件組成

　　設(shè)備設(shè)備是發(fā)起中斷的源，當(dāng)設(shè)備需要請(qǐng)求某種服務(wù)的時(shí)候，它會(huì)發(fā)起一個(gè)硬件中斷信號(hào)，通常，該信號(hào)會(huì)連接至中斷控制器，由中斷控制器做進(jìn)一步的處理。在現(xiàn)代的移動(dòng)設(shè)備中，發(fā)起中斷的設(shè)備可以位于soc(system-on-chip)芯片的外部，也可以位于soc的內(nèi)部，因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)soc都集成了大量的硬件IP，例如I2C、SPI、Display Controller等等。

　　中斷控制器中斷控制器負(fù)責(zé)收集所有中斷源發(fā)起的中斷，現(xiàn)有的中斷控制器幾乎都是可編程的，通過對(duì)中斷控制器的編程，我們可以控制每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)、中斷的電器類型，還可以打開和關(guān)閉某一個(gè)中斷源，在smp系統(tǒng)中，甚至可以控制某個(gè)中斷源發(fā)往哪一個(gè)CPU進(jìn)行處理。對(duì)于ARM架構(gòu)的soc，使用較多的中斷控制器是VIC(Vector Interrupt Controller)，進(jìn)入多核時(shí)代以后，GIC(General Interrupt Controller)的應(yīng)用也開始逐漸變多。

　　CPU cpu是最終響應(yīng)中斷的部件，它通過對(duì)可編程中斷控制器的編程操作，控制和管理者系統(tǒng)中的每個(gè)中斷，當(dāng)中斷控制器最終判定一個(gè)中斷可以被處理時(shí)，他會(huì)根據(jù)事先的設(shè)定，通知其中一個(gè)或者是某幾個(gè)cpu對(duì)該中斷進(jìn)行處理，雖然中斷控制器可以同時(shí)通知數(shù)個(gè)cpu對(duì)某一個(gè)中斷進(jìn)行處理，實(shí)際上，最后只會(huì)有一個(gè)cpu相應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求，但具體是哪個(gè)cpu進(jìn)行響應(yīng)是可能是隨機(jī)的，中斷控制器在硬件上對(duì)這一特性進(jìn)行了保證，不過這也依賴于操作系統(tǒng)對(duì)中斷系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。在smp系統(tǒng)中，cpu之間也通過IPI(inter processor interrupt)中斷進(jìn)行通信。

　　2. IRQ編號(hào)

　　系統(tǒng)中每一個(gè)注冊(cè)的中斷源，都會(huì)分配一個(gè)唯一的編號(hào)用于識(shí)別該中斷，我們稱之為IRQ編號(hào)。IRQ編號(hào)貫穿在整個(gè)Linux的通用中斷子系統(tǒng)中。在移動(dòng)設(shè)備中，每個(gè)中斷源的IRQ編號(hào)都會(huì)在arch相關(guān)的一些頭文件中，例如arch/xxx/mach-xxx/include/irqs.h。驅(qū)動(dòng)程序在請(qǐng)求中斷服務(wù)時(shí)，它會(huì)使用IRQ編號(hào)注冊(cè)該中斷，中斷發(fā)生時(shí)，cpu通常會(huì)從中斷控制器中獲取相關(guān)信息，然后計(jì)算出相應(yīng)的IRQ編號(hào)，然后把該IRQ編號(hào)傳遞到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序中。

　　3. 在驅(qū)動(dòng)程序中申請(qǐng)中斷

　　Linux中斷子系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)程序提供了一系列的API，其中的一個(gè)用于向系統(tǒng)申請(qǐng)中斷：

　　[cpp] view plain copyint request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,

　　irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,

　　const char *devname, void *dev_id)

　　其中，

　　irq是要申請(qǐng)的IRQ編號(hào)，

　　handler是中斷處理服務(wù)函數(shù)，該函數(shù)工作在中斷上下文中，如果不需要，可以傳入NULL，但是不可以和thread_fn同時(shí)為NULL;

　　thread_fn是中斷線程的回調(diào)函數(shù)，工作在內(nèi)核進(jìn)程上下文中，如果不需要，可以傳入NULL，但是不可以和handler同時(shí)為NULL;

　　irqflags是該中斷的一些標(biāo)志，可以指定該中斷的電氣類型，是否共享等信息;

　　devname指定該中斷的名稱;

　　dev_id用于共享中斷時(shí)的cookie data，通常用于區(qū)分共享中斷具體由哪個(gè)設(shè)備發(fā)起;

　　關(guān)于該API的詳細(xì)工作機(jī)理我們后面再討論。

　　4. 通用中斷子系統(tǒng)(Generic irq)的軟件抽象

　　在通用中斷子系統(tǒng)(generic irq)出現(xiàn)之前，內(nèi)核使用__do_IRQ處理所有的中斷，這意味著__do_IRQ中要處理各種類型的中斷，這會(huì)導(dǎo)致軟件的復(fù)雜性增加，層次不分明，而且代碼的可重用性也不好。事實(shí)上，到了內(nèi)核版本2.6.38，__do_IRQ這種方式已經(jīng)徹底在內(nèi)核的代碼中消失了。通用中斷子系統(tǒng)的原型最初出現(xiàn)于ARM體系中，一開始內(nèi)核的開發(fā)者們把3種中斷類型區(qū)分出來，他們是：

　　電平觸發(fā)中斷(level type)

　　邊緣觸發(fā)中斷(edge type)

　　簡(jiǎn)易的中斷(simple type)

　　后來又針對(duì)某些需要回應(yīng)eoi(end of interrupt)的中斷控制器，加入了fast eoi type，針對(duì)smp加入了per cpu type。把這些不同的中斷類型抽象出來后，成為了中斷子系統(tǒng)的流控層。要使所有的體系架構(gòu)都可以重用這部分的代碼，中斷控制器也被進(jìn)一步地封裝起來，形成了中斷子系統(tǒng)中的硬件封裝層。我們可以用下面的圖示表示通用中斷子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：

　　圖 4.1 通用中斷子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

　　硬件封裝層它包含了體系架構(gòu)相關(guān)的所有代碼，包括中斷控制器的抽象封裝，arch相關(guān)的中斷初始化，以及各個(gè)IRQ的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化工作，cpu的中斷入口也會(huì)在arch相關(guān)的代碼中實(shí)現(xiàn)。中斷通用邏輯層通過標(biāo)準(zhǔn)的封裝接口(實(shí)際上就是struct irq_chip定義的接口)訪問并控制中斷控制器的行為，體系相關(guān)的中斷入口函數(shù)在獲取IRQ編號(hào)后，通過中斷通用邏輯層提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，把中斷調(diào)用傳遞到中斷流控層中。我們看看irq_chip的部分定義：

　　[cpp] view plain copystruct irq_chip {

　　const char *name;

　　unsigned int (*irq_startup)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_shutdown)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_enable)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_disable)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_ack)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_mask)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_mask_ack)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_unmask)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_eoi)(struct irq_data *data);

　　int (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force);

　　int (*irq_retrigger)(struct irq_data *data);

　　int (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type);

　　int (*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);

　　......

　　};

　　看到上面的結(jié)構(gòu)定義，很明顯，它實(shí)際上就是對(duì)中斷控制器的接口抽象，我們只要對(duì)每個(gè)中斷控制器實(shí)現(xiàn)以上接口(不必全部)，并把它和相應(yīng)的irq關(guān)聯(lián)起來，上層的實(shí)現(xiàn)即可通過這些接口訪問中斷控制器。而且，同一個(gè)中斷控制器的代碼可以方便地被不同的平臺(tái)所重用。

　　中斷流控層所謂中斷流控是指合理并正確地處理連續(xù)發(fā)生的中斷，比如一個(gè)中斷在處理中，同一個(gè)中斷再次到達(dá)時(shí)如何處理，何時(shí)應(yīng)該屏蔽中斷，何時(shí)打開中斷，何時(shí)回應(yīng)中斷控制器等一系列的操作。該層實(shí)現(xiàn)了與體系和硬件無關(guān)的中斷流控處理操作，它針對(duì)不同的中斷電氣類型(level，edge......)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中斷流控處理函數(shù)，在這些處理函數(shù)中，最終會(huì)把中斷控制權(quán)傳遞到驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)中斷時(shí)傳入的處理函數(shù)或者是中斷線程中。目前內(nèi)核提供了以下幾個(gè)主要的中斷流控函數(shù)的實(shí)現(xiàn)(只列出部分)：

　　handle_simple_irq();

　　handle_level_irq(); 電平中斷流控處理程序

　　handle_edge_irq(); 邊沿觸發(fā)中斷流控處理程序

　　handle_fasteoi_irq(); 需要eoi的中斷處理器使用的中斷流控處理程序

　　handle_percpu_irq(); 該irq只有單個(gè)cpu響應(yīng)時(shí)使用的流控處理程序

　　中斷通用邏輯層該層實(shí)現(xiàn)了對(duì)中斷系統(tǒng)幾個(gè)重要數(shù)據(jù)的管理，并提供了一系列的輔助管理函數(shù)。同時(shí)，該層還實(shí)現(xiàn)了中斷線程的實(shí)現(xiàn)和管理，共享中斷和嵌套中斷的實(shí)現(xiàn)和管理，另外它還提供了一些接口函數(shù)，它們將作為硬件封裝層和中斷流控層以及驅(qū)動(dòng)程序API層之間的橋梁，例如以下API：

　　generic_handle_irq();

　　irq_to_desc();

　　irq_set_chip();

　　irq_set_chained_handler();

　　驅(qū)動(dòng)程序API 該部分向驅(qū)動(dòng)程序提供了一系列的API，用于向系統(tǒng)申請(qǐng)/釋放中斷，打開/關(guān)閉中斷，設(shè)置中斷類型和中斷喚醒系統(tǒng)的特性等操作。驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)者通常只會(huì)使用到這一層提供的這些API即可完成驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工作，其他的細(xì)節(jié)都由另外幾個(gè)軟件層較好地“隱藏”起來了，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者無需再關(guān)注底層的實(shí)現(xiàn)，這看起來確實(shí)是一件美妙的事情，不過我認(rèn)為，要想寫出好的中斷代碼，還是花點(diǎn)時(shí)間了解一下其他幾層的實(shí)現(xiàn)吧。其中的一些API如下：

　　enable_irq();

　　disable_irq();

　　disable_irq_nosync();

　　request_threaded_irq();

　　irq_set_affinity();

　　這里不再對(duì)每一層做詳細(xì)的介紹，我將會(huì)在本系列的其他幾篇文章中做深入的探討。

　　5. irq描述結(jié)構(gòu)：struct irq_desc

　　整個(gè)通用中斷子系統(tǒng)幾乎都是圍繞著irq_desc結(jié)構(gòu)進(jìn)行，系統(tǒng)中每一個(gè)irq都對(duì)應(yīng)著一個(gè)irq_desc結(jié)構(gòu)，所有的irq_desc結(jié)構(gòu)的組織方式有兩種：

　　基于數(shù)組方式平臺(tái)相關(guān)板級(jí)代碼事先根據(jù)系統(tǒng)中的IRQ數(shù)量，定義常量：NR_IRQS，在kernel/irq/irqdesc.c中使用該常量定義irq_desc結(jié)構(gòu)數(shù)組：

　　[cpp] view plain copystruct irq_desc irq_desc[NR_IRQS] __cacheline_aligned_in_smp = {

　　[0 ... NR_IRQS-1] = {

　　.handle_irq = handle_bad_irq,

　　.depth = 1,

　　.lock = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED(irq_desc->lock),

　　}

　　};

　　基于基數(shù)樹方式當(dāng)內(nèi)核的配置項(xiàng)CONFIG_SPARSE_IRQ被選中時(shí)，內(nèi)核使用基數(shù)樹(radix tree)來管理irq_desc結(jié)構(gòu)，這一方式可以動(dòng)態(tài)地分配irq_desc結(jié)構(gòu)，對(duì)于那些具備大量IRQ數(shù)量或者IRQ編號(hào)不連續(xù)的系統(tǒng)，使用該方式管理irq_desc對(duì)內(nèi)存的節(jié)省有好處，而且對(duì)那些自帶中斷控制器管理設(shè)備自身多個(gè)中斷源的外部設(shè)備，它們可以在驅(qū)動(dòng)程序中動(dòng)態(tài)地申請(qǐng)這些中斷源所對(duì)應(yīng)的irq_desc結(jié)構(gòu)，而不必在系統(tǒng)的編譯階段保留irq_desc結(jié)構(gòu)所需的內(nèi)存。

　　下面我們看一看irq_desc的部分定義：

　　[cpp] view plain copystruct irq_data {

　　unsigned int irq;

　　unsigned long hwirq;

　　unsigned int node;

　　unsigned int state_use_accessors;

　　struct irq_chip *chip;

　　struct irq_domain *domain;

　　void *handler_data;

　　void *chip_data;

　　struct msi_desc *msi_desc;

　　#ifdef CONFIG_SMP

　　cpumask_var_t affinity;

　　#endif

　　};

　　[cpp] view plain copystruct irq_desc {

　　struct irq_data irq_data;

　　unsigned int __percpu *kstat_irqs;

　　irq_flow_handler_t handle_irq;

　　#ifdef CONFIG_IRQ_PREFLOW_FASTEOI

　　irq_preflow_handler_t preflow_handler;

　　#endif

　　struct irqaction *action; /* IRQ action list */

　　unsigned int status_use_accessors;

　　unsigned int depth; /* nested irq disables */

　　unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */

　　unsigned int irq_count; /* For detecting broken IRQs */

　　raw_spinlock_t lock;

　　struct cpumask *percpu_enabled;

　　#ifdef CONFIG_SMP

　　const struct cpumask *affinity_hint;

　　struct irq_affinity_notify *affinity_notify;

　　#ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ

　　cpumask_var_t pending_mask;

　　#endif

　　wait_queue_head_t wait_for_threads;

　　const char *name;

　　} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

　　對(duì)于irq_desc中的主要字段做一個(gè)解釋：

　　irq_data 這個(gè)內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)在2.6.37版本引入，之前的內(nèi)核版本的做法是直接把這個(gè)結(jié)構(gòu)中的字段直接放置在irq_desc結(jié)構(gòu)體中，然后在調(diào)用硬件封裝層的chip->xxx()回調(diào)中傳入IRQ編號(hào)作為參數(shù)，但是底層的函數(shù)經(jīng)常需要訪問->handler_data，->chip_data，->msi_desc等字段，這需要利用irq_to_desc(irq)來獲得irq_desc結(jié)構(gòu)的指針，然后才能訪問上述字段，者帶來了性能的降低，尤其在配置為sparse irq的系統(tǒng)中更是如此，因?yàn)檫@意味著基數(shù)樹的搜索操作。為了解決這一問題，內(nèi)核開發(fā)者把幾個(gè)低層函數(shù)需要使用的字段單獨(dú)封裝為一個(gè)結(jié)構(gòu)，調(diào)用時(shí)的參數(shù)則改為傳入該結(jié)構(gòu)的指針。實(shí)現(xiàn)同樣的目的，那為什么不直接傳入irq_desc結(jié)構(gòu)指針?因?yàn)檫@會(huì)破壞層次的封裝性，我們不希望低層代碼可以看到不應(yīng)該看到的部分，僅此而已。

　　kstat_irqs 用于irq的一些統(tǒng)計(jì)信息，這些統(tǒng)計(jì)信息可以從proc文件系統(tǒng)中查詢。

　　action 中斷響應(yīng)鏈表，當(dāng)一個(gè)irq被觸發(fā)時(shí)，內(nèi)核會(huì)遍歷該鏈表，調(diào)用action結(jié)構(gòu)中的回調(diào)handler或者激活其中的中斷線程，之所以實(shí)現(xiàn)為一個(gè)鏈表，是為了實(shí)現(xiàn)中斷的共享，多個(gè)設(shè)備共享同一個(gè)irq，這在外圍設(shè)備中是普遍存在的。

　　status_use_accessors 記錄該irq的狀態(tài)信息，內(nèi)核提供了一系列irq_settings_xxx的輔助函數(shù)訪問該字段，詳細(xì)請(qǐng)查看kernel/irq/settings.h

　　depth 用于管理enable_irq()/disable_irq()這兩個(gè)API的嵌套深度管理，每次enable_irq時(shí)該值減去1，每次disable_irq時(shí)該值加1，只有depth==0時(shí)才真正向硬件封裝層發(fā)出關(guān)閉irq的調(diào)用，只有depth==1時(shí)才會(huì)向硬件封裝層發(fā)出打開irq的調(diào)用。disable的嵌套次數(shù)可以比enable的次數(shù)多，此時(shí)depth的值大于1，隨著enable的不斷調(diào)用，當(dāng)depth的值為1時(shí)，在向硬件封裝層發(fā)出打開irq的調(diào)用后，depth減去1后，此時(shí)depth為0，此時(shí)處于一個(gè)平衡狀態(tài)，我們只能調(diào)用disable_irq，如果此時(shí)enable_irq被調(diào)用，內(nèi)核會(huì)報(bào)告一個(gè)irq失衡的警告，提醒驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)人員檢查自己的代碼。

　　lock 用于保護(hù)irq_desc結(jié)構(gòu)本身的自旋鎖。

　　affinity_hit 用于提示用戶空間，作為優(yōu)化irq和cpu之間的親緣關(guān)系的依據(jù)。

　　pending_mask 用于調(diào)整irq在各個(gè)cpu之間的平衡。

　　wait_for_threads 用于synchronize_irq()，等待該irq所有線程完成。

　　irq_data結(jié)構(gòu)中的各字段：

　　irq 該結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的IRQ編號(hào)。

　　hwirq 硬件irq編號(hào)，它不同于上面的irq;

　　node 通常用于hwirq和irq之間的映射操作;

　　state_use_accessors 硬件封裝層需要使用的狀態(tài)信息，不要直接訪問該字段，內(nèi)核定義了一組函數(shù)用于訪問該字段：irqd_xxxx()，參見include/linux/irq.h。

　　chip 指向該irq所屬的中斷控制器的irq_chip結(jié)構(gòu)指針

　　handler_data 每個(gè)irq的私有數(shù)據(jù)指針，該字段由硬件封轉(zhuǎn)層使用，例如用作底層硬件的多路復(fù)用中斷。

　　chip_data 中斷控制器的私有數(shù)據(jù)，該字段由硬件封轉(zhuǎn)層使用。

　　msi_desc 用于PCIe總線的MSI或MSI-X中斷機(jī)制。

　　affinity 記錄該irq與cpu之間的親緣關(guān)系，它其實(shí)是一個(gè)bit-mask，每一個(gè)bit代表一個(gè)cpu，置位后代表該cpu可能處理該irq。

　　這是通用中斷子系統(tǒng)系列文章的第一篇，這里不會(huì)詳細(xì)介紹各個(gè)軟件層次的實(shí)現(xiàn)原理，但是有必要對(duì)整個(gè)架構(gòu)做簡(jiǎn)要的介紹：

　　系統(tǒng)啟動(dòng)階段，取決于內(nèi)核的配置，內(nèi)核會(huì)通過數(shù)組或基數(shù)樹分配好足夠多的irq_desc結(jié)構(gòu);

　　根據(jù)不同的體系結(jié)構(gòu)，初始化中斷相關(guān)的硬件，尤其是中斷控制器;

　　為每個(gè)必要irq的irq_desc結(jié)構(gòu)填充默認(rèn)的字段，例如irq編號(hào)，irq_chip指針，根據(jù)不同的中斷類型配置流控handler;

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在初始化階段，利用request_threaded_irq() api申請(qǐng)中斷服務(wù)，兩個(gè)重要的參數(shù)是handler和thread_fn;

　　當(dāng)設(shè)備觸發(fā)一個(gè)中斷后，cpu會(huì)進(jìn)入事先設(shè)定好的中斷入口，它屬于底層體系相關(guān)的代碼，它通過中斷控制器獲得irq編號(hào)，在對(duì)irq_data結(jié)構(gòu)中的某些字段進(jìn)行處理后，會(huì)將控制權(quán)傳遞到中斷流控層(通過irq_desc->handle_irq);

　　中斷流控處理代碼在作出必要的流控處理后，通過irq_desc->action鏈表，取出驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)中斷時(shí)注冊(cè)的handler和thread_fn，根據(jù)它們的賦值情況，或者只是調(diào)用handler回調(diào)，或者啟動(dòng)一個(gè)線程執(zhí)行thread_fn，又或者兩者都執(zhí)行;

　　至此，中斷最終由驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了響應(yīng)和處理。

　　6. 中斷子系統(tǒng)的proc文件接口

　　在/proc目錄下面，有兩個(gè)與中斷子系統(tǒng)相關(guān)的文件和子目錄，它們是：

　　/proc/interrupts：文件

　　/proc/irq：子目錄

　　讀取interrupts會(huì)依次顯示irq編號(hào)，每個(gè)cpu對(duì)該irq的處理次數(shù)，中斷控制器的名字，irq的名字，以及驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)該irq時(shí)使用的名字，以下是一個(gè)例子：