第4章 中断

1 处理器探测异常

• fault：可以被纠正，并不失连贯的执行；比如缺页异常
• trap：发生后没有必要纠正和继续执行，调试时使用，可以认为是断点
• abort：发生严重的错误，只能强制终止受影响的进程；比如assert？

 

 

2 硬件连接

设备 <== IRQ ==> 可编程中断控制器PIC <== INTR引脚 ==> CPU；

不同CPU之间也可以发送处理器间中断，称为IPI。

 

 

3 中断和异常

中断或异常会引起一个内核控制路径，也就是说中断/异常发生时，以内核态保存当前进程的寄存器数据，并执行中断处理函数。

 

3.1 中断嵌套

Linux内核之前允许中断嵌套，目前不允许中断嵌套 —— 通过在硬件中断处理函数前屏蔽中断实现。

 

3.2 缺页异常和中断

因为异常是在内核态执行，内核态只会引起缺页异常，不会引起其他异常（除非内核有BUG）；而缺页异常从不进一步引起异常，因此内核最多有两层异常嵌套。

另外，缺页异常发生时，内核会挂起当前进程，进行进程切换。

因此：

• 中断处理程序可以抢占异常处理程序
• 中断处理程序执行时不可以进行进程切换，所以中断中不可以执行导致异常的操作（比如申请内存导致缺页异常），也不能休眠

如果在中断处理函数里发生了缺页中断会怎样？

缺页异常指的是访问的虚拟内存没有映射到物理内存中，不是申请内存的时候内存不足，因此在中断中如何避免缺页异常呢？

通义千问给出的答案很好：

• 避免访问用户空间：内核空间始终映射，因此不会发生缺页；如果确实需要访问用户空间，应该提前copy_from_user()
• 优化中断程序：中断处理程序要简洁高效，并减少内存分配和页面访问
• 将当前进程的PF_NOFREEZE标志置位，防止内存回收触发缺页异常

 

 

4 异常处理

异常发生时，内核向引起异常的进程发送一个“异常信号”；

进程如果设置了该异常信号的处理程序，则进行处理恢复；如果没有设置则终止运行。

 

 

5 中断处理

5.1 区别IRQ和ISR

• 几个设备可以共享一个IRQ线
• 每个设备都有自己的ISR（interrupt service routine，中断服务例程）

 

5.2 IRQ类型

• IRQ共享：产生IRQ时，挂在IRQ上每个设备的ISR都要执行，在ISR内部判断并进行中断处理 —— 这就是设备ISR中先判断irq state的原因
• IRQ动态分配：在最后一刻才让IRQ与设备驱动程序关联（分时复用）；比如用户访问磁盘时才会使能磁盘IRQ响应

 

5.3 I/O中断处理程序的基本操作

1. 禁用IRQ中断响应
2. 在内核态堆栈中保存IRQ的值和寄存器的内容
3. 执行共享IRQ的多个ISR
4. 跳到ret_from_intr()并结束中断处理程序

 

 

6 软中断、tasklet、工作队列

6.1 软中断 softirq

规则

• 软中断支持同时在多个CPU上执行，需要设计为可重入函数，需要自旋锁保护
• 不能被自己打断（单个CPU上不能嵌套），只能被硬件中断打断
• 目前Linux系统最多支持32个软中断，系统已经定义使用了10个，剩下的用户可以自己指定，一般来说系统提供的软中断已经够我们使用了

执行时机

• 触发软中断后（raise_softirq()）
• 硬中断退出时
• 任何调用local_bh_enable()打开本地软中断的时候

 

6.2 tasklet

• 基于软中断实现，是软中断的一种
• 由内核实现并控制，只需要知道相同类型的tasklet总是顺序执行的，不会有多个CPU执行相同类型的tasklet——这一点不同于软中断，因此tasklet执行函数也不用设计为可重入的！
• 简单好用，IO驱动程序中实现可延迟函数的首选方法
• 软中断和tasklet是运行于中断上下文的，因此在执行过程中不能休眠

 

6.3 工作队列 work queue

• 将延后工作交由内核线程来处理
• 工作队列允许重新调度甚至睡眠，这是与软中断根本的不同

 

6.4 选择

需要切换进程（比如休眠） =》工作队列；

性能至上、可重入 =》软中断；

其他 =》 优先选择tasklet

 

 

7 内核控制路径的几种情况

7.1 单个CPU上交错（嵌套）执行

• 条件最为严苛，单个CPU上交错执行相当于多个CPU同时执行，而且还需要同步CPU独有的变量！
• 需要写成可重入函数
• 所有的数据访问都需要加锁（保证同步）
• 软中断、tasklet和工作队列都不是

 

7.2 会在多个CPU上同时执行，但是不会在单个CPU上交错执行

• 也需要写成可重入函数
• 属于CPU独有的变量不需要加锁，全局变量需要加锁同步
• 软中断是这样！

 

7.3 会在多个CPU上执行，但是不会同时被多个CPU执行，更不会在单个CPU上交错执行

• 这种机制由内核保证，也就是tasklet的实现
• 不会在多个CPU上同时执行，那就是顺序执行了
• 不必是可重入函数