Linux中断浅析http://bbs.chinaunix.net/thread-3566316-1-1.html
来源:互联网 发布:淘宝开店钱盾认证 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 07:45
本文描述内容针对2.6.31+x86平台,不包含硬件相关的细节。
作者:独孤九贱;
版权所有,转载请注明出处。有问题欢迎与我交流讨论。
一、概述
中断,本质上是一个电信号,早期的计算的并没有中断这一概念,这使得CPU与外围设备的交互变得困难,CPU需要不断的轮询,以探测外围设备是否有数据需要处理。这浪费大量的资源。中断的出现,将CPU从这一任务中解放出来,CPU与外设的处理,变为异步,它可以喝着茶,听着音乐,然后等待外设的报告。
Linux中的中断,除了包含外围设备引发的硬中断外,还有更多宽泛的概念,如CPU引发的同步中断或异常、软中断等。不过本文如未特别注明,都是描述外围设备发出的异步中断。
事实上,外围设备并不能直接发中断给CPU。是的,老大随时来看我轮询一下,浪费他的时间与精力,我也不能想找老大就找老大,得找他的小蜜,外设借助一个称为“中断控制器”的中间组件来完成请求。这个过程叫IRQ(中断请求),中断控制器在处理完相应的电工任务后,将中断请求转发到CPU的中断输入。例如,下图展示了一个典型的x86平台的8259A中断控制器:
二、中断控制器
为了屏蔽各种硬件平台的区别,Linux提供了一个统一抽像的平台来实现中断子系统。irq_chip结构用于描述一个硬件中断控制器,它封装了控制器的名称(如XTPIC或IO-APIC)和控制器相应的操作:大多数的操作可以根据名称了解一二。该结构考虑到了各种不同的体系结构,所以一个特系结构的使用,通常仅是它的一个子集,甚至是很小的一个子系,仍然以8259A为例:三、中断描述符
每个中断都有一个编号,系统可以根据编号很容易地区分来访者,是鼠标,还是键盘,或者是网卡。只是很可惜,出于很多原因(例如短视或成本考虑),在很多体系结构上,提供的编号是很少的,例如图1中显示的,两个8259A芯片,总共提供了16个中断槽位。虽然曾经看来,对于个人计算机这已经足够了,只是时过境迁,又到了改变的时候,例如,多个外设共享一个中断,称之为中断共享,有过PCI驱动编写经验的都接触过,当然,这需要硬件和内核同时支持。
在IA-32 CPU上,为外围设备都供了16个中断号,从32-47,不过如果看一下/proc/interrupts就会发现,外围设备的IRQ编号是从0开始到15的,这意味着,中断控制器的一个重要任务,就是对IRQ编号和中断号进行映射,在IA-32上,这个映射,就需要加上32即可。
每个中断号的信息使用IRQ描述符struct irq_desc表示:IRQ相关信息的管理的关键之处在于,内核引入一个irq_desc 类型的全局数组来记录之,每个数组的项对应一个IRQ编号,数组槽位与中断号一一对应,IRQ0在位置0,诸如此类。
数组irq_desc_ptrs的初始化在kernel/irq/handle.c这里使用了一个gcc扩展,将所有成员irq号都初始化为-1,其handle_irq都指向handle_bad_irq。
irq_to_desc函数可以根据设备中断号取得相应的中断描述符:中断描述符中,其最后一个成员action指向中断处理程序。这将在后文描述,先来看中断描述符的初始化,这在early_irq_init函数中完成:这样,每个irq_desc_ptrs的槽位的初始化工作就完成了。值得注意的是,这里并没有初始化中断描述符的电流处理句柄handle_irq成员。这是留到具体的控制器中去完成的,还是以8259A为例:set_irq_chip_and_handler_name函数是内核提供的处理注册irq_chip和设置电流处理程序的API之一:这样,i8259A_chip控制器的电流处理程序被注册为handle_level_irq,即为电平触发中断,对应的,边沿触发中断的处理程序是handle_edge_irq。略过一些硬件的细节差异,handle_edge_irq处理过程类似,它最终也会调用高层的中断处理程序handle_IRQ_event。
四、中断处理程序函数
每个中断处理程序函数都由结构struct irqaction表示,也就是上述中断描述符的最后一个成员:该结构中,最重要的叫员就是处理函数本身,也就是其第一个成员。
flags包含一些标志信,例如IRQF_SHARED/IRQF_TIMER等。
mask存储其CPU位图掩码;
name和dev_id唯一地标识一个中断处理程序;
next成员用于实现共享的IRQ处理程序,相同irq号的一个或几个irqaction汇聚在一个链表中。
小结一下,上述三个重要数据结构的关系就很清楚了:
irq_desc数组包含若干成员,每个成员都一个chip指针,指向对应的中断控制器结构,action指向,指向中断处理函数结构irqaction,若干个具体相同irq的中断处理函数结构串在一个链表上。
irqaction是中断子系统面向驱动程序界面提供的接口,驱动程序在初始化的时候向内核注册,调用request_irq向中断子系统注册,request_irq函数会构造一个action,并将其关联到相应的中断描述符上。
五、IDT表与中断的触发
中断的触发,或者称之为中断路由,表示一个中断如何达到上述的中断处理函数中。
IDT(Interrupt Descriptor Table)中断描述表,IDT是个有256个入口的线形表,每个中断向量关联了一个中断处理过程。当计算机运行在实模式时,IDT被初始化并由BIOS使用。然而,一旦真正进入了Linux内核,IDT就被移到内存的另一个区域,并进行进入实模式的初步初始化。内核的初始化流程如下:set_intr_gate在IDT的第i个表项插入一个中断门。门中的段选择符设置为内核代码的段选择符,基偏移量为中断处理程序的地址,
即为第二个参数interrupt[i-FIRST_EXTERNAL_VECTOR]。
interrupt数组在entry_32.S中定义,它本质上都会跳转到common_interrupt:common_interrupt是所有外部中断的统一入口:这样,就进入了著名的do_IRQ函数了,到这里,基本上有平台相关的汇编代码的处理流程就结束了,相对而言,我还是更喜欢C语言:handle_irq函数根据中断号,查找相应的desc结构,调用其handle_irq:如果是在中断栈上调用,则稍微复杂一点,需要先构造一个中断栈,再调用handle_irq。中断栈的构造过程,我在《Linux软中断的实现》一文中分析过了,可以在坛子中搜索。
如前所述,handle_irq函数指针,指向了handle_level_irq,或者是handle_edge_irq。不论是哪一种,中断电流处理函数在会调用handle_IRQ_event进一步处理,handle_IRQ_event函数的本质是遍历中断号上所有的action,调用其handler。这是在设备驱动初始化时向中断子系统注册的:
/**
* handle_IRQ_event - irq action chain handler
* @irq: the interrupt number
* @action: the interrupt action chain for this irq
*
* Handles the action chain of an irq event
*/
irqreturn_t handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct irqaction *action)
{
irqreturn_t ret, retval = IRQ_NONE;
unsigned int status = 0;
//因为CPU会禁止中断,这里将其打开,如果没有指定IRQF_DISABLED标志的话,它表示处理程序在中断禁止情况下运行
if (!(action->flags & IRQF_DISABLED))
local_irq_enable_in_hardirq();
//遍历当前irq的action链表中的所有action,调用之
do {
//打开中断跟踪
trace_irq_handler_entry(irq, action);
//调用中断处理函数
ret = action->handler(irq, action->dev_id);
//结束跟踪
trace_irq_handler_exit(irq, action, ret);
switch (ret) {
case IRQ_WAKE_THREAD:
/*
* Set result to handled so the spurious check
* does not trigger.
*/
ret = IRQ_HANDLED;
/*
* Catch drivers which return WAKE_THREAD but
* did not set up a thread function
*/
if (unlikely(!action->thread_fn)) {
warn_no_thread(irq, action);
break;
}
/*
* Wake up the handler thread for this
* action. In case the thread crashed and was
* killed we just pretend that we handled the
* interrupt. The hardirq handler above has
* disabled the device interrupt, so no irq
* storm is lurking.
*/
if (likely(!test_bit(IRQTF_DIED,
&action->thread_flags))) {
set_bit(IRQTF_RUNTHREAD, &action->thread_flags);
wake_up_process(action->thread);
}
/* Fall through to add to randomness */
case IRQ_HANDLED:
status |= action->flags;
break;
default:
break;
}
retval |= ret;
//取得链表中的下一个action,如果有的话
action = action->next;
} while (action);
//如果指定了标志,则使用中断间隔时间为随机数产生器产生熵
if (status & IRQF_SAMPLE_RANDOM)
add_interrupt_randomness(irq);
//关闭中断,do_IRQ进入下一轮循环——等待新的中断到来
local_irq_disable();
return retval;
这一改变的的理由在于,前者允许传递一个线程处理函数thread_fn,不过request_irq使用传递为NULL:具体的注册工作落实到了__setup_irq函数:
作者:独孤九贱;
版权所有,转载请注明出处。有问题欢迎与我交流讨论。
一、概述
中断,本质上是一个电信号,早期的计算的并没有中断这一概念,这使得CPU与外围设备的交互变得困难,CPU需要不断的轮询,以探测外围设备是否有数据需要处理。这浪费大量的资源。中断的出现,将CPU从这一任务中解放出来,CPU与外设的处理,变为异步,它可以喝着茶,听着音乐,然后等待外设的报告。
Linux中的中断,除了包含外围设备引发的硬中断外,还有更多宽泛的概念,如CPU引发的同步中断或异常、软中断等。不过本文如未特别注明,都是描述外围设备发出的异步中断。
事实上,外围设备并不能直接发中断给CPU。是的,老大随时来看我轮询一下,浪费他的时间与精力,我也不能想找老大就找老大,得找他的小蜜,外设借助一个称为“中断控制器”的中间组件来完成请求。这个过程叫IRQ(中断请求),中断控制器在处理完相应的电工任务后,将中断请求转发到CPU的中断输入。例如,下图展示了一个典型的x86平台的8259A中断控制器:
二、中断控制器
为了屏蔽各种硬件平台的区别,Linux提供了一个统一抽像的平台来实现中断子系统。irq_chip结构用于描述一个硬件中断控制器,它封装了控制器的名称(如XTPIC或IO-APIC)和控制器相应的操作:大多数的操作可以根据名称了解一二。该结构考虑到了各种不同的体系结构,所以一个特系结构的使用,通常仅是它的一个子集,甚至是很小的一个子系,仍然以8259A为例:三、中断描述符
每个中断都有一个编号,系统可以根据编号很容易地区分来访者,是鼠标,还是键盘,或者是网卡。只是很可惜,出于很多原因(例如短视或成本考虑),在很多体系结构上,提供的编号是很少的,例如图1中显示的,两个8259A芯片,总共提供了16个中断槽位。虽然曾经看来,对于个人计算机这已经足够了,只是时过境迁,又到了改变的时候,例如,多个外设共享一个中断,称之为中断共享,有过PCI驱动编写经验的都接触过,当然,这需要硬件和内核同时支持。
在IA-32 CPU上,为外围设备都供了16个中断号,从32-47,不过如果看一下/proc/interrupts就会发现,外围设备的IRQ编号是从0开始到15的,这意味着,中断控制器的一个重要任务,就是对IRQ编号和中断号进行映射,在IA-32上,这个映射,就需要加上32即可。
每个中断号的信息使用IRQ描述符struct irq_desc表示:IRQ相关信息的管理的关键之处在于,内核引入一个irq_desc 类型的全局数组来记录之,每个数组的项对应一个IRQ编号,数组槽位与中断号一一对应,IRQ0在位置0,诸如此类。
数组irq_desc_ptrs的初始化在kernel/irq/handle.c这里使用了一个gcc扩展,将所有成员irq号都初始化为-1,其handle_irq都指向handle_bad_irq。
irq_to_desc函数可以根据设备中断号取得相应的中断描述符:中断描述符中,其最后一个成员action指向中断处理程序。这将在后文描述,先来看中断描述符的初始化,这在early_irq_init函数中完成:这样,每个irq_desc_ptrs的槽位的初始化工作就完成了。值得注意的是,这里并没有初始化中断描述符的电流处理句柄handle_irq成员。这是留到具体的控制器中去完成的,还是以8259A为例:set_irq_chip_and_handler_name函数是内核提供的处理注册irq_chip和设置电流处理程序的API之一:这样,i8259A_chip控制器的电流处理程序被注册为handle_level_irq,即为电平触发中断,对应的,边沿触发中断的处理程序是handle_edge_irq。略过一些硬件的细节差异,handle_edge_irq处理过程类似,它最终也会调用高层的中断处理程序handle_IRQ_event。
四、中断处理程序函数
每个中断处理程序函数都由结构struct irqaction表示,也就是上述中断描述符的最后一个成员:该结构中,最重要的叫员就是处理函数本身,也就是其第一个成员。
flags包含一些标志信,例如IRQF_SHARED/IRQF_TIMER等。
mask存储其CPU位图掩码;
name和dev_id唯一地标识一个中断处理程序;
next成员用于实现共享的IRQ处理程序,相同irq号的一个或几个irqaction汇聚在一个链表中。
小结一下,上述三个重要数据结构的关系就很清楚了:
irq_desc数组包含若干成员,每个成员都一个chip指针,指向对应的中断控制器结构,action指向,指向中断处理函数结构irqaction,若干个具体相同irq的中断处理函数结构串在一个链表上。
irqaction是中断子系统面向驱动程序界面提供的接口,驱动程序在初始化的时候向内核注册,调用request_irq向中断子系统注册,request_irq函数会构造一个action,并将其关联到相应的中断描述符上。
五、IDT表与中断的触发
中断的触发,或者称之为中断路由,表示一个中断如何达到上述的中断处理函数中。
IDT(Interrupt Descriptor Table)中断描述表,IDT是个有256个入口的线形表,每个中断向量关联了一个中断处理过程。当计算机运行在实模式时,IDT被初始化并由BIOS使用。然而,一旦真正进入了Linux内核,IDT就被移到内存的另一个区域,并进行进入实模式的初步初始化。内核的初始化流程如下:set_intr_gate在IDT的第i个表项插入一个中断门。门中的段选择符设置为内核代码的段选择符,基偏移量为中断处理程序的地址,
即为第二个参数interrupt[i-FIRST_EXTERNAL_VECTOR]。
interrupt数组在entry_32.S中定义,它本质上都会跳转到common_interrupt:common_interrupt是所有外部中断的统一入口:这样,就进入了著名的do_IRQ函数了,到这里,基本上有平台相关的汇编代码的处理流程就结束了,相对而言,我还是更喜欢C语言:handle_irq函数根据中断号,查找相应的desc结构,调用其handle_irq:如果是在中断栈上调用,则稍微复杂一点,需要先构造一个中断栈,再调用handle_irq。中断栈的构造过程,我在《Linux软中断的实现》一文中分析过了,可以在坛子中搜索。
如前所述,handle_irq函数指针,指向了handle_level_irq,或者是handle_edge_irq。不论是哪一种,中断电流处理函数在会调用handle_IRQ_event进一步处理,handle_IRQ_event函数的本质是遍历中断号上所有的action,调用其handler。这是在设备驱动初始化时向中断子系统注册的:
/**
* handle_IRQ_event - irq action chain handler
* @irq: the interrupt number
* @action: the interrupt action chain for this irq
*
* Handles the action chain of an irq event
*/
irqreturn_t handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct irqaction *action)
{
irqreturn_t ret, retval = IRQ_NONE;
unsigned int status = 0;
//因为CPU会禁止中断,这里将其打开,如果没有指定IRQF_DISABLED标志的话,它表示处理程序在中断禁止情况下运行
if (!(action->flags & IRQF_DISABLED))
local_irq_enable_in_hardirq();
//遍历当前irq的action链表中的所有action,调用之
do {
//打开中断跟踪
trace_irq_handler_entry(irq, action);
//调用中断处理函数
ret = action->handler(irq, action->dev_id);
//结束跟踪
trace_irq_handler_exit(irq, action, ret);
switch (ret) {
case IRQ_WAKE_THREAD:
/*
* Set result to handled so the spurious check
* does not trigger.
*/
ret = IRQ_HANDLED;
/*
* Catch drivers which return WAKE_THREAD but
* did not set up a thread function
*/
if (unlikely(!action->thread_fn)) {
warn_no_thread(irq, action);
break;
}
/*
* Wake up the handler thread for this
* action. In case the thread crashed and was
* killed we just pretend that we handled the
* interrupt. The hardirq handler above has
* disabled the device interrupt, so no irq
* storm is lurking.
*/
if (likely(!test_bit(IRQTF_DIED,
&action->thread_flags))) {
set_bit(IRQTF_RUNTHREAD, &action->thread_flags);
wake_up_process(action->thread);
}
/* Fall through to add to randomness */
case IRQ_HANDLED:
status |= action->flags;
break;
default:
break;
}
retval |= ret;
//取得链表中的下一个action,如果有的话
action = action->next;
} while (action);
//如果指定了标志,则使用中断间隔时间为随机数产生器产生熵
if (status & IRQF_SAMPLE_RANDOM)
add_interrupt_randomness(irq);
//关闭中断,do_IRQ进入下一轮循环——等待新的中断到来
local_irq_disable();
return retval;
}
六、中断处理函数的注册 request_irq
很显然,如果驱动程序需要处理与中断相关的工作,它就应该注册一个中断处理程序。也就是构造一个前文所述irqaction,
并挂到前文描述中,中断描述符的链表中去,request_irq API函数完成这一工作,其原型如下:
@irq:要分配的中断号
@hander: 中断处理函数指针,这是工作的核心
@flags:中断标志位,可以是IRQF_DISABLED,IRQF_SAMPLE_RANDOM,IRQF_TIMER,IRQF_SHARED等;
@name:中断设备的文件描述;
@dev:用于中断共享,它提供设备的唯一标识信息。
这一改变的的理由在于,前者允许传递一个线程处理函数thread_fn,不过request_irq使用传递为NULL:具体的注册工作落实到了__setup_irq函数:
总结:irq_desc 数据结构描述一个中断描述符IRQ,每个IRQ对应一个中断号。每个中断号对应多个中断设备(多个中断设备共享这个中断号)。irq_desc数据结构有两个重要的参数irq_flow_handler_t handle_irq(每个中断号对应一个这样的函数)和struct irqaction *action(这个指针指向一个irqaction链表,每个链表中的action函数代表这个中断号的一个设备中断处理程序)。当一个中断产生时,do_IRQ(N)根据中断号N找到irq_desc,从而找到handle_irq并执行,在handle_irq中会遍历执行中断处理函数action(深入理解linux内核中将action叫做ISR中断服务例程)。request_irq中注册的便是action。
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