超强的Linux中断分析

超强的Linux中断分析[日期：2008-09-13]来源： 作者：

1) IPI中断的初始化。

intr_init_hook调用apic_intr_init()，后者再调用──如果CONFIG_SMP──smp_intr_init()，

这个函数设置IPI中断的处理，然后，apic_intr_init()为另外两个IPI：SPURIOUS_APIC_VECTOR和

ERROR_APIC_VECTOR设置ISR。

2) irq_desc[NR_IRQS]

structirq_desc，亦即irq_desc_t，描述了一个irq的属性，如irqaction、depth、

pending_mask等。

include/linux/irq.h:

struct irq_desc {

irq_flow_handler_thandle_irq;

struct irq_chip *chip;

struct msi_desc *msi_desc;

void *handler_data;

void *chip_data;

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

unsigned int status; /* IRQ status */

unsigned int depth; /* nested irq disables */

unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */

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

unsigned int irqs_unhandled;

spinlock_t lock;

#ifdef CONFIG_SMP

cpumask_t affinity;

unsigned int cpu;

#endif

#ifdefined(CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ) || defined(CONFIG_IRQBALANCE)

cpumask_t pending_mask;

#endif

#ifdef CONFIG_PROC_FS

struct proc_dir_entry *dir;

#endif

const char *name;

}____cacheline_internodealigned_in_smp;

Linux有一个全局变量，包含了了所有的IRQ：(kernel/irq/handle.c)

struct irq_descirq_desc[NR_IRQS] __cacheline_aligned = {

[0 ... NR_IRQS-1] = {

.status = IRQ_DISABLED,

.chip = &no_irq_chip,

.handle_irq =handle_bad_irq,

.depth = 1,

.lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED,

#ifdef CONFIG_SMP

.affinity = CPU_MASK_ALL

#endif

}

}

3)irq_chip(即在genericirq之前的hw_interrupt_type)

>以下这段是genericirq之前的：

>Linux支持N种可编程中断控制器PIC，所以有一个struct hw_interrupt_type，对于i8259A

>来说，这个结构是i8259A_irq_type，对于IOAPIC来说，根据设置为电平触发或边沿触发的方式，

>分别有ioapic_level_type和ioapic_edge_type两个不同的结构。

在引入genericirq补丁之后，定义了几个irq_chip结构：

针对i386和x86-64各有一个定义的:

ioapic_chip,

i8259A_chip,

lapic_chip,

msi_chip,

ht_irq_chip,

vmi_chip,

针对visw体系的:

cobalt_irq_chip,

piix4_master_irq_type,

piix4_virtual_irq_type

针对voyager体系的:

vic_chip

其它目的的：

no_irq_chip,

dummy_irq_chip

4) irq_stat[NR_CPUS]

Linux定义了一个全局的数组，用来描述每个CPU上的irq处理状态：(arch/i386/kernel/irq.c)

DEFINE_PER_CPU(irq_cpustat_t,irq_stat) __cacheline_internodealigned_in_smp;

EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(irq_stat);

irq_stat_t的定义。

typedef struct {

unsigned int__softirq_pending;

unsigned longidle_timestamp;

unsigned int __nmi_count;/* arch dependent */

unsigned intapic_timer_irqs; /* arch dependent */

} ____cacheline_alignedirq_cpustat_t;

5). 中断共享

我们知道，多个中断源可以共享一个irq线。Linux的实现方式是，每个中断源都有自己的

一个structirqaction，

irqaction结构的定义：

struct irqaction {

irq_handler_t handler;

unsigned long flags;

cpumask_t mask;

const char *name;

void *dev_id;

struct irqaction *next;

int irq;

struct proc_dir_entry *dir;

};

同一个irq可能有多个irqaction，组成一个链表。struct irq_desc中有个域：

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

这个链表就包含了所有共享该irq号的中断源(及其对应的handler等信息)。当device driver

进行request_irq()时，会为它生成一个irqaction，设置相应的值，然后挂载

irq_desc[<irq>].action队列中(是添加在链表的最后面)。

request_irq(irq, handler,irqflags, devname, dev_id) > setup_irq(irq, irqaction)

flags有3个：

IRQF_SHARED : 共享中断号

IRQF_DISABLED :就是旧时代的SA_INTERRUPT，设置了该标志，则执行ISR时关本地中断

IRQF_SAMPLE_RANDOM :告诉内核，本中断源可以用作随机数生成器的熵池

只有满足以下条件，irq才可以在多个中断源之间共享：

a). 每个中断源都愿意共享irq：request_irq时指定了IRQF_SHARED

b).试图共享一个irq的中断源，具有相同的触发机制(都是leveltrigger，或者都是edge

trigger)，并且具有相同的polarity(都是低电平有效，或者都是高电平有效)

下面是set_irq()函数中判断old和new两个中断源是否可以share同一个irq号的代码：

/*

* Can't share interrupts unlessboth agree to and are

* the same type (level, edge,polarity). So both flag

* fields must have IRQF_SHAREDset and the bits which

* set the trigger type mustmatch.

*/

if (!((old->flags &new->flags) & IRQF_SHARED) ||

((old->flags ^ new->flags)& IRQF_TRIGGER_MASK)) {

old_name = old->name;

goto mismatch;

}

6). 中断处理(do_IRQ,__do_IRQ, generic_handle_irq, etc) - Part I: __do_IRQ

__do_IRQ()是genericirq引入之前的通用中断处理函数(除了IPI中断，其它所有中断/异常

都经过它)，它由do_IRQ调用，并调用handle_IRQ_event(而handle_IRQ_event会调用各个

driver的ISR)。

在引入genericirq之后，__do_IRQ()函数已基本不用了。64位的X86系统上还可能使用

它(通过do_IRQ> generic_handle_irq)，32位的x86已经完全不用它了。

然而我们还是看一下__do_IRQ函数，因为道理是一样的：

__do_IRQ():

/*{{{*/

//首先给irq_desc[irq].lock加锁，以免别的CPU访问该desc结构

spin_lock(&desc->lock);

//发送ACK给中断控制器

if (desc->chip->ack)

desc->chip->ack(irq);

/*

* REPLAY is when Linux resends anIRQ that was dropped earlier

* WAITING is used by probe tomark irqs that are being tested

*/

/*清除IRQ_REPLAY和IRQ_WAITING标志*/

status = desc->status &~(IRQ_REPLAY | IRQ_WAITING);

/*设置IRQ_PENDING标志。这个flag的意思是，已经ACK但尚未处理*/

status |= IRQ_PENDING; /* we_want_ to handle it */

/*

* If the IRQ is disabled forwhatever reason, we cannot

* use the action we have.

*/

/*如果IRQ被disable了，但是我们收到了中断，说明这是个spuriousinterrupt，

* 有些有BUG的主板等硬件会干这种事

*/

action = NULL;

/*只要IRQ_DISABLED或者IRQ_INPROGRESS被设置，我们就不handle该irq。

*

*对于IRQ_INPROGRESS被设置的情况，说明此irq号的另一个实例正运行在

* 另一个CPU上，我们就不处理了，而是让_那个_ CPU在运行完它的ISR时再检查

*一下IRQ_PENDING标志，那时候它会再去处理我们这里逃避的事情的

*/

if (likely(!(status &(IRQ_DISABLED | IRQ_INPROGRESS)))) { /*正常情况下2这都不被设置，

*那我们就设置desc->status

*/

action = desc->action;

status &= ~IRQ_PENDING; /*we commit to handling,清除pending标志*/

status |= IRQ_INPROGRESS; /*we are handling it ，设置inprogress标志*/

}

desc->status = status;

/*

* If there is no IRQ handler orit was disabled, exit early.

* Since we set PENDING, ifanother processor is handling

* a different instance of thissame irq, the other processor

* will take care of it.

*/

if (unlikely(!action))

goto out;

/*

* Edge triggered interrupts needto remember

* pending events.

* This applies to any hwinterrupts that allow a second

* instance of the same irq toarrive while we are in do_IRQ

* or in the handler. But the codehere>for (;;) {

irqreturn_t action_ret;

//真正的IRQ处理是handle_IRQ_event，我们先unlock

spin_unlock(&desc->lock);

action_ret =handle_IRQ_event(irq, action);

spin_lock(&desc->lock);

//再lock，因为后面还要unlock

/*

*在我们调用handle_IRQ_event时，如果同一个irq又在另一个CPU上

*来了一次，那个CPU会检测到IRQ_INPROGRESS标志，只设置了IRQ_PENDING

* 标志便退出了。这时我们就会检测到该标志，从而再处理第2次到来的irq

*

* 注意！IRQ_PENDING只是个逻辑标志，而不是一个counter！所以，这种方式

*只能处理同一irq的两个实例！如果发生了更多实例，第3个，第4个……就丢失了

*/

//如果没有第2个需要处理，退出

if (likely(!(desc->status &IRQ_PENDING)))

break;

//还有第2个需要处理，那么就清除IRQ_PENDING标志，表示我们已经答应要处理它了

desc->status &=~IRQ_PENDING;

}

/*}}}*/

7). 中断处理(do_IRQ,__do_IRQ, generic_handle_irq, etc) - Part II: handle_IRQ_event

handle_IRQ_event()依次调用irq_desc[irq]->action链表上的每一个action。

它会先打开中断(如果request_irq时没有设置IRQF_DISABLED标志)，然后一个个执行irqaction，

再禁用本地中断。

handle_IRQ_event:

irqreturn_thandle_IRQ_event(unsigned int irq, struct irqaction *action)

{

irqreturn_t ret, retval =IRQ_NONE;

unsigned int status = 0;

handle_dynamic_tick(action);

//如果指定了IRQF_DISABLED，就在关中断的情形下执行ISR

//否则的话，在开中断的情形下执行ISR

if (!(action->flags &IRQF_DISABLED))

local_irq_enable_in_hardirq();

//该循环遍历irq_desc[irq]->action链表，一个个调用其handler域

do {

ret = action->handler(irq,action->dev_id);

if (ret == IRQ_HANDLED)

status |=action->flags;

retval |= ret;

action = action->next;

} while (action);

if (status &IRQF_SAMPLE_RANDOM)

add_interrupt_randomness(irq);

local_irq_disable();

return retval;

}

Linux有两种情况可能导致丢中断，都是在SMP下才会发生的：

a). CPU1在处理irqN，结果又来了一个irqN在CPU2上执行，这时候该CPU2只设置

irq_desc[irq].status的IRQ_PENDING标志，以便CPU1去检查从而再执行一遍。

当如果CPU3又收到一次，也设置IRQ_PENDING标志，这时CPU2设置的信息会丢失。

补救办法：无

b).CPU1在处理器某IRQ之前，先发送ACK给PIC，结果这时候CPU2通过PIC禁用了该irq，

从而导致irq_desc[irq].status的IRQ_DISABLED标志被设置。然后CPU1在正要处理

irq时发现对应的IRQ_DISABLED标志置位，于是退出。这样就丢了一次中断。

补救办法：在下一次enable_irq()被调用时，检查是否存在的这样的丢失。若然，

调用check_irq_resend()重新generate一次中断。

注意，在__do_IRQ()的一开始会清楚irq_desc[irq].status的IRQ_REPLAY

标志，这时为了防止对一次irq丢失「补救」多次。

8). 中断处理(do_IRQ,__do_IRQ, generic_handle_irq, etc) - Part III: Generic IRQ补丁

FIXME：我记得genericirq补丁是Thomas Gleixner和IngoMolnar在大约2.6.17时引入的，

当时支持i386、x86-64和arm三个体系结构。

generic irq层的引入，是为了剥离irqflow和irq chip过于紧密的耦合。为driver程序员提供

通用的API来request/enable/disable/free中断，这样程序员不用知道任何底层的中断控制器细节。

8.1) 它为driver程序员提供的highlevel的API：

request_irq()

free_irq()

disable_irq()

enable_irq()

disable_irq_nosync() (SMP>)

synchronize_irq() (SMP>)

set_irq_type()

set_irq_wake()

set_irq_data()

set_irq_chip()

set_irq_chip_data()

8.2) 它为irqflow提供了一组预定义了的方法：

handle_level_irq() =>针对level type的irqhandler

handle_edge_irq() =>针对edge type的irqhandler

handle_simple_irq() =>针对Simple and software-decodedIRQS

//FIXME: 我猜测percpuirq不是IPI，而是某种x86没有的东西

handle_percpu_irq() =>针对per-cpu local IRQs

handle_fasteoi_irq() =>针对transparent controllers，目前IO-APIC主要用它和edge

//FIXME:什么叫透明的中断控制器？老子咋看不懂涅?

Irq的flowtype，generic irq有以下数种：

#define IRQ_TYPE_NONE 0x00000000 /* Default, unspecified type */

#define IRQ_TYPE_EDGE_RISING 0x00000001 /* Edge rising type */

#define IRQ_TYPE_EDGE_FALLING 0x00000002 /* Edge falling type */

#define IRQ_TYPE_EDGE_BOTH (IRQ_TYPE_EDGE_FALLING | IRQ_TYPE_EDGE_RISING)

#define IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH 0x00000004 /* Level high type */

#define IRQ_TYPE_LEVEL_LOW 0x00000008 /* Level low type */

#define IRQ_TYPE_SENSE_MASK 0x0000000f /* Mask of the above */

#define IRQ_TYPE_PROBE 0x00000010 /* Probing in progress */

--没有看到simple类型和per-cpu类型，我估计这2者都是其他architectures上的。这里把EDGE触发的irq又分成了

上升沿、下降沿和both，level触发的又分成了低电平有效和highactive。

这5个函数取代了原来的__do_IRQ，由do_IRQ直接调用:

desc->handle_irq(irq, desc);

而这个irq_desc[irq].handle_irq又是在哪里设置的呢？不同的irq chip有不同的设置，现在让

我们看一下ioapic_chip上的irqs的设置：

static voidioapic_register_intr(int irq, unsigned long trigger)

{

/*如果不是edge触发的，就设置为handle_fasteoi_irq*//

if (trigger) {

irq_desc[irq].status |=IRQ_LEVEL;

set_irq_chip_and_handler_name(irq, &ioapic_chip,

handle_fasteoi_irq, "fasteoi");

} else {

/*如果是edge触发的，就设置为handle_edge_irq*/

irq_desc[irq].status &=~IRQ_LEVEL;

set_irq_chip_and_handler_name(irq, &ioapic_chip,

handle_edge_irq, "edge");

}

}

原来MSI中断也是用handle_edge_irq处理的，见代码：

pci_enable_msi() >msi_capability_init() \

=>arch_setup_msi_irqs() > arch_setup_msi_irq():

pci_enable_msim() >msim_capability_init() /

set_irq_msi(irq, desc);

write_msi_msg(irq, &msg);

set_irq_chip_and_handler_name(irq, &msi_chip, handle_edge_irq,"edge");

8.4) genericirq提供的一些publicfunctions

synchronize_irq : wait forpending IRQ handlers (on other CPUs)

disable_irq_nosync : disablean irq without waiting

disable_irq : disable anirq and wait for completion

enable_irq : enablehandling of an irq

set_irq_wake : control irqpower management wakeup

free_irq : free aninterrupt

request_irq : allocate aninterrupt line

set_irq_chip : set the irqchip for an irq

set_irq_type : set the irqtype for an irq

set_irq_data : set irqtype data for an irq

set_irq_chip_data : set irqchip data for an irq

8.5) geneirc irq提供的一些internalfunctions

handle_bad_irq : handlespurious and unhandled irqs

handle_IRQ_event : irqaction chain handler

__do_IRQ : original allin>: initialize a dynamically allocated irq

dynamic_irq_cleanup :cleanup a dynamically allocated irq

set_irq_msi : set irq typedata for an irq

handle_simple_irq : Simpleand software-decoded IRQs.

handle_level_irq : Leveltype irq handler

handle_fasteoi_irq : irqhandler for transparent controllers

handle_edge_irq : edge typeIRQ handler

handle_percpu_irq : Per CPUlocal irq handler

8.6) irq_chip结构的方法

startup : start up theinterrupt (defaults to ->enable if NULL)

enable中断，使PIC可以handle它

shutdown : shut down theinterrupt (defaults to ->disable if NULL)

enable : enable theinterrupt (defaults to chip->unmask if NULL)

disable : disable theinterrupt (defaults to chip->mask if NULL)

ack : start of a newinterrupt

通知PIC：CPU开始处理这个irq了

mask : mask an interruptsource

mask_ack : ack and mask aninterrupt source

mask和ack方法的结合，这样在某些平台上可以得到优化

unmask : unmask aninterrupt source

eoi : end of interrupt -chip level

end : end of interrupt -flow level

通知PIC：中断处理完毕

set_affinity : set the CPUaffinity>: resend an IRQ to the CPU

重新创建和递送一个irq

set_type : set the flow type(IRQ_TYPE_LEVEL/etc.) of an IRQ

设置irq的flowtype: level, edge, simple, per-cpu

set_wake : enable/disablepower-management wake-on of an IRQ

是否支持由该irq来wake睡眠中的系统

release : releasefunction solely used by UML

仅由ULM使用

typename : obsoleted by name,kept as migration helper

已废弃

我自己还没弄懂，只是零星的记录了一些看到的东西。 （因此别问我，否则失望）

看高手的文档，可以从无到有的学习，真的佩服这种写文档的能力。我就只会写只有自己能看懂的文档。