硬中断和软中断
本文主要内容：硬中断 / 软中断的原理和实现
内核版本：2.6.37
Author：zhangskd @ csdn blog
概述
从本质上来讲，中断是一种电信号，当设备有某种事件发生时，它就会产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器。
如果中断的线是激活的，中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事，
跳到中断处理程序的入口点，进行中断处理。
(1) 硬中断
由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。比如当网卡收到数据包
的时候，就会发出一个中断。我们通常所说的中断指的是硬中断(hardirq)。
(2) 软中断
为了满足实时系统的要求，中断处理应该是越快越好。linux为了实现这个特点，当中断发生的时候，硬中断处理那些短时间
就可以完成的工作，而将那些处理事件比较长的工作，放到中断之后来完成，也就是软中断(softirq)来完成。
(3) 中断嵌套
Linux下硬中断是可以嵌套的，但是没有优先级的概念，也就是说任何一个新的中断都可以打断正在执行的中断，但同种中断
除外。软中断不能嵌套，但相同类型的软中断可以在不同CPU上并行执行。
(4) 软中断指令
int是软中断指令。
中断向量表是中断号和中断处理函数地址的对应表。
int n - 触发软中断n。相应的中断处理函数的地址为：中断向量表地址 + 4 * n。
(5)硬中断和软中断的区别
软中断是执行中断指令产生的，而硬中断是由外设引发的。
硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。
硬中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽。
硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务，这样程序执行时才不会等待较长时间，称为上半部。
软中断处理硬中断未完成的工作，是一种推后执行的机制，属于下半部。
开关
(1) 硬中断的开关
简单禁止和激活当前处理器上的本地中断：
local_irq_disable();
local_irq_enable();
保存本地中断系统状态下的禁止和激活：
unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
local_irq_restore(flags);
(2) 软中断的开关
禁止下半部，如softirq、tasklet和workqueue等：
local_bh_disable();
local_bh_enable();
需要注意的是，禁止下半部时仍然可以被硬中断抢占。
(3) 判断中断状态
#define in_interrupt() (irq_count()) // 是否处于中断状态(硬中断或软中断)
#define in_irq() (hardirq_count()) // 是否处于硬中断
#define in_softirq() (softirq_count()) // 是否处于软中断
硬中断
(1) 注册中断处理函数
注册中断处理函数：
/**
* irq: 要分配的中断号
* handler: 要注册的中断处理函数
* flags: 标志(一般为0)
* name: 设备名(dev->name)
* dev: 设备(struct net_device *dev)，作为中断处理函数的参数
* 成功返回0
*/
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
const char *name, void *dev);
中断处理函数本身：
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *);
/**
* enum irqreturn
* @IRQ_NONE: interrupt was not from this device
* @IRQ_HANDLED: interrupt was handled by this device
* @IRQ_WAKE_THREAD: handler requests to wake the handler thread
*/
enum irqreturn {
IRQ_NONE,
IRQ_HANDLED,
IRQ_WAKE_THREAD,
};
typedef enum irqreturn irqreturn_t;
#define IRQ_RETVAL(x) ((x) != IRQ_NONE)
(2) 注销中断处理函数
/** * free_irq - free an interrupt allocated with request_irq * @irq: Interrupt line to free * @dev_id: Device identity to free * * Remove an interrupt handler. The handler is removed and if the * interrupt line is no longer in use by any driver it is disabled. * On a shared IRQ the caller must ensure the interrupt is disabled * on the card it drives before calling this function. The function does * not return until any executing interrupts for this IRQ have completed. * This function must not be called from interrupt context. */ void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
软中断
(1) 定义
软中断是一组静态定义的下半部接口，可以在所有处理器上同时执行，即使两个类型相同也可以。
但一个软中断不会抢占另一个软中断，唯一可以抢占软中断的是硬中断。
软中断由softirq_action结构体表示：
struct softirq_action {
void (*action) (struct softirq_action *); /* 软中断的处理函数 */
};
目前已注册的软中断有10种，定义为一个全局数组：
static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];
enum {
HI_SOFTIRQ = 0, /* 优先级高的tasklets */
TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器的下半部 */
NET_TX_SOFTIRQ, /* 发送网络数据包 */
NET_RX_SOFTIRQ, /* 接收网络数据包 */
BLOCK_SOFTIRQ, /* BLOCK装置 */
BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
TASKLET_SOFTIRQ, /* 正常优先级的tasklets */
SCHED_SOFTIRQ, /* 调度程序 */
HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高分辨率定时器 */
RCU_SOFTIRQ, /* RCU锁定 */
NR_SOFTIRQS /* 10 */
};
(2) 注册软中断处理函数
/**
* @nr: 软中断的索引号
* @action: 软中断的处理函数
*/
void open_softirq(int nr, void (*action) (struct softirq_action *))
{
softirq_vec[nr].action = action;
}
例如：
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
(3) 触发软中断
调用raise_softirq()来触发软中断。
void raise_softirq(unsigned int nr)
{
unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
raise_softirq_irqoff(nr);
local_irq_restore(flags);
}
/* This function must run with irqs disabled */
inline void rasie_softirq_irqsoff(unsigned int nr)
{
__raise_softirq_irqoff(nr);
/* If we're in an interrupt or softirq, we're done
* (this also catches softirq-disabled code). We will
* actually run the softirq once we return from the irq
* or softirq.
* Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we
* schedule the softirq soon.
*/
if (! in_interrupt()) /* 如果不处于硬中断或软中断 */
wakeup_softirqd(void); /* 唤醒ksoftirqd/n进程 */
}
Percpu变量irq_cpustat_t中的__softirq_pending是等待处理的软中断的位图，通过设置此变量
即可告诉内核该执行哪些软中断。
static inline void __rasie_softirq_irqoff(unsigned int nr)
{
trace_softirq_raise(nr);
or_softirq_pending(1UL << nr);
}
typedef struct {
unsigned int __softirq_pending;
unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */
} irq_cpustat_t;
irq_cpustat_t irq_stat[];
#define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)
#define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))
#define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)
唤醒ksoftirqd内核线程处理软中断。
static void wakeup_softirqd(void)
{
/* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */
struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);
if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
wake_up_process(tsk);
}
在下列地方，待处理的软中断会被检查和执行：
1. 从一个硬件中断代码处返回时
2. 在ksoftirqd内核线程中
3. 在那些显示检查和执行待处理的软中断的代码中，如网络子系统中
而不管是用什么方法唤起，软中断都要在do_softirq()中执行。如果有待处理的软中断，
do_softirq()会循环遍历每一个，调用它们的相应的处理程序。
在中断处理程序中触发软中断是最常见的形式。中断处理程序执行硬件设备的相关操作，
然后触发相应的软中断，最后退出。内核在执行完中断处理程序以后，马上就会调用
do_softirq()，于是软中断开始执行中断处理程序完成剩余的任务。
下面来看下do_softirq()的具体实现。
asmlinkage void do_softirq(void)
{
__u32 pending;
unsigned long flags;
/* 如果当前已处于硬中断或软中断中，直接返回 */
if (in_interrupt())
return;
local_irq_save(flags);
pending = local_softirq_pending();
if (pending) /* 如果有激活的软中断 */
__do_softirq(); /* 处理函数 */
local_irq_restore(flags);
}
/* We restart softirq processing MAX_SOFTIRQ_RESTART times,
* and we fall back to softirqd after that.
* This number has been established via experimentation.
* The two things to balance is latency against fairness - we want
* to handle softirqs as soon as possible, but they should not be
* able to lock up the box.
*/
asmlinkage void __do_softirq(void)
{
struct softirq_action *h;
__u32 pending;
/* 本函数能重复触发执行的次数，防止占用过多的cpu时间 */
int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
int cpu;
pending = local_softirq_pending(); /* 激活的软中断位图 */
account_system_vtime(current);
/* 本地禁止当前的软中断 */
__local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0), SOFTIRQ_OFFSET);
lockdep_softirq_enter(); /* current->softirq_context++ */
cpu = smp_processor_id(); /* 当前cpu编号 */
restart:
/* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
set_softirq_pending(0); /* 重置位图 */
local_irq_enable();
h = softirq_vec;
do {
if (pending & 1) {
unsigned int vec_nr = h - softirq_vec; /* 软中断索引 */
int prev_count = preempt_count();
kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);
trace_softirq_entry(vec_nr);
h->action(h); /* 调用软中断的处理函数 */
trace_softirq_exit(vec_nr);
if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p" "with preempt_count %08x,"
"exited with %08x?\n", vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action, prev_count,
preempt_count());
}
rcu_bh_qs(cpu);
}
h++;
pending >>= 1;
} while(pending);
local_irq_disable();
pending = local_softirq_pending();
if (pending & --max_restart) /* 重复触发 */
goto restart;
/* 如果重复触发了10次了，接下来唤醒ksoftirqd/n内核线程来处理 */
if (pending)
wakeup_softirqd();
lockdep_softirq_exit();
account_system_vtime(current);
__local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
}
(4) ksoftirqd内核线程
内核不会立即处理重新触发的软中断。
当大量软中断出现的时候，内核会唤醒一组内核线程来处理。
这些线程的优先级最低(nice值为19)，这能避免它们跟其它重要的任务抢夺资源。
但它们最终肯定会被执行，所以这个折中的方案能够保证在软中断很多时用户程序不会
因为得不到处理时间而处于饥饿状态，同时也保证过量的软中断最终会得到处理。
每个处理器都有一个这样的线程，名字为ksoftirqd/n，n为处理器的编号。
static int run_ksoftirqd(void *__bind_cpu)
{
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
current->flags |= PF_KSOFTIRQD; /* I am ksoftirqd */
while(! kthread_should_stop()) {
preempt_disable();
if (! local_softirq_pending()) { /* 如果没有要处理的软中断 */
preempt_enable_no_resched();
schedule();
preempt_disable():
}
__set_current_state(TASK_RUNNING);
while(local_softirq_pending()) {
/* Preempt disable stops cpu going offline.
* If already offline, we'll be on wrong CPU: don't process.
*/
if (cpu_is_offline(long)__bind_cpu))/* 被要求释放cpu */
goto wait_to_die;
do_softirq(); /* 软中断的统一处理函数 */
preempt_enable_no_resched();
cond_resched();
preempt_disable();
rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);
}
preempt_enable();
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return 0;
wait_to_die:
preempt_enable();
/* Wait for kthread_stop */
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
while(! kthread_should_stop()) {
schedule();
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return 0;
}
