理解Linux中断 （2）【转】
转自：http://blog.csdn.net/tommy_wxie/article/details/7425692
版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 3、内核的中断处理 3.1、中断处理入口 由上节可知，中断向量的对应的处理程序位于interrupt数组中，下面来看看interrupt： [html] view plain copy print? 341 .data #数据段 342 ENTRY(interrupt) 343 .text 344 345 vector=0 346 ENTRY(irq_entries_start) 347 .rept NR_IRQS #348-354行重复NR_IRQS次 348 ALIGN 349 1: pushl $vector-256 #vector在354行递增 350 jmp common_interrupt #所有的外部中断处理函数的统一部分，以后再讲述 351 .data 352 .long 1b #存储着指向349行的地址，但是随着348行-354被gcc展开，每次的值都不同 353 .text 354 vector=vector+1 355 .endr #与347行呼应 356 357 ALIGN #公共处理函数 common_interrupt: SAVE_ALL /*寄存器值入栈*/ movl %esp,%eax /*栈顶指针保存到eax*/ call do_IRQ /*处理中断*/ jmp ret_from_intr /*从中断返回*/ 分析如下： 首先342行和352行都处于.data段，虽然看起来它们是隔开的，但实际上被gcc安排在了连续的数据段内存 中，同理在代码段内存中，354行与350行的指令序列也是连续存储的。另外，348-354行会被gcc展开NR_IRQS次，因此每次352行都会存 储一个新的指针，该指针指向每个349行展开的新对象。最后在代码段内存中连续存储了NR_IRQS个代码片断，首地址由 irq_entries_start指向。而在数据段内存中连续存储了NR_IRQS个指针，首址存储在interrupt这个全局变量中。这样，例如 IRQ号是0 (从init_IRQ()调用，它对应的中断向量是FIRST_EXTERNAL_VECTOR)的中断通过中断门后会触发 interrput[0]，从而执行： pushl 0-256 jmp common_interrupt 的代码片断，进入到Linux内核安排好的中断入口路径。 3.2、数据结构 3.2.1、IRQ描述符 Linux支持多个外设共享一个IRQ，同时，为了维护中断向量和中断服务例程(ISR)之间的映射关系，Linux用一个irq_desc_t数据结构来描述，叫做IRQ描述符。除了分配给异常的 32个向量外，其余224(NR_IRQS)个中断向量对应的IRQ构成一个数组irq_desc[]，定义如下： [html] view plain copy print? <pre name="code" class="html">//位于linux/irq.h typedef struct irq_desc { unsigned int status; /* IRQ status */ hw_irq_controller *handler; struct irqaction *action; /* IRQ action list */ unsigned int depth; /* nested irq disables */ unsigned int irq_count; /* For detecting broken interrupts */ unsigned int irqs_unhandled; spinlock_t lock; } ____cacheline_aligned irq_desc_t; //IRQ描述符表 extern irq_desc_t irq_desc [NR_IRQS];</pre> <pre></pre> <p></p> <pre></pre> “____cacheline_aligned”表示这个数据结构的存放按32字节（高速缓存行的大小）进行对齐，以便于将来存放在高速缓存并容易存取。status：描述IRQ中断线状态，在irq.h中定义。如下： <p></p> <p><span style="color:#008000"></span></p> <pre name="code" class="html">#define IRQ_INPROGRESS 1 /* 正在执行这个IRQ的一个处理程序*/ #define IRQ_DISABLED 2 /* 由设备驱动程序已经禁用了这条IRQ中断线 */ #define IRQ_PENDING 4 /* 一个IRQ已经出现在中断线上，且被应答，但还没有为它提供服务 */ #define IRQ_REPLAY 8 /* 当Linux重新发送一个已被删除的IRQ时 */ #define IRQ_AUTODETECT 16 /* 当进行硬件设备探测时，内核使用这条IRQ中断线 */ #define IRQ_WAITING 32 /*当对硬件设备进行探测时，设置这个状态以标记正在被测试的irq */ #define IRQ_LEVEL 64 /* IRQ level triggered */ #define IRQ_MASKED 128 /* IRQ masked - shouldn't be seen again */ #define IRQ_PER_CPU 256 /* IRQ is per CPU */ </pre><br> <br> <p></p> <p><span style="color:#008000"><br> </span></p> <p>handler：指向hw_interrupt_type描述符，这个描述符是对中断控制器的描述。下面有描述。<br> action：指向一个单向链表的指针，这个链表就是对中断服务例程进行描述的irqaction结构。下面有描述。<br> <br> depth：如果启用这条IRQ中断线，depth则为0，如果禁用这条IRQ中断线不止一次，则为一个正数。每当调用一次disable_irq()，该函数就对这个域的值加1；如果depth等于0，该函数就禁用这条IRQ中断线。相反，每当调用enable_irq()函数时，该函数就对这个域的值减1；如果depth变为0，该函数就启用这条IRQ中断线。<br> lock：保护该数据结构的自旋锁。<span style="color:#008000"><br> <img alt="" src="http://images.cnblogs.com/cnblogs_com/hustcat/Kernel/kernel_1_4.JPG" height="312" width="701"><br> IRQ描述符的初始化：<br> <span style="color:#008000">//</span><span style="color:#008000">位于arch/i386/kernel/i8259.c</span><span style="color:#008000"><br> </span><span style="color:#0000ff">void</span><span style="color:#000000"> __init init_ISA_irqs (</span><span style="color:#0000ff">void</span><span style="color:#000000">)<br> {<br> </span><span style="color:#0000ff">int</span><span style="color:#000000"> i;<br> <br> #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC<br> init_bsp_APIC();<br> </span><span style="color:#0000ff">#endif</span><span style="color:#000000"><br> </span><span style="color:#008000">//</span><span style="color:#008000">初始化8259A</span><span style="color:#008000"><br> </span><span style="color:#000000"> init_8259A(</span><span style="color:#800080">0</span><span style="color:#000000">);<br> </span><span style="color:#008000">//</span><span style="color:#008000">IRQ描述符的初始化</span><span style="color:#008000"><br> </span><span style="color:#000000"> </span><span style="color:#0000ff">for</span><span style="color:#000000"> (i </span><span style="color:#000000">=</span><span style="color:#000000"> </span><span style="color:#800080">0</span><span style="color:#000000">; i </span><span style="color:#000000"><</span><span style="color:#000000"> NR_IRQS; i</span><span style="color:#000000">++</span><span style="color:#000000">) {<br> irq_desc[i].status </span><span style="color:#000000">=</span><span style="color:#000000"> IRQ_DISABLED;<br> irq_desc[i].action </span><span style="color:#000000">=</span><span style="color:#000000"> NULL;<br> irq_desc[i].depth </span><span style="color:#000000">=</span><span style="color:#000000"> </span><span style="color:#800080">1</span><span style="color:#000000">;<br> <br> </span><span style="color:#0000ff">if</span><span style="color:#000000"> (i </span><span style="color:#000000"><</span><span style="color:#000000"> </span><span style="color:#800080">16</span><span style="color:#000000">) {<br> </span><span style="color:#008000">/*</span><span style="color:#008000"><br> * 16 old-style INTA-cycle interrupts:<br> </span><span style="color:#008000">*/</span><span style="color:#000000"><br> irq_desc[i].handler </span><span style="color:#000000">=</span><span style="color:#000000"> </span><span style="color:#000000">&</span><span style="color:#000000">i8259A_irq_type;<br> } </span><span style="color:#0000ff">else</span><span style="color:#000000"> {<br> </span><span style="color:#008000">/*</span><span style="color:#008000"><br> * 'high' PCI IRQs filled in on demand<br> </span><span style="color:#008000">*/</span><span style="color:#000000"><br> irq_desc[i].handler </span><span style="color:#000000">=</span><span style="color:#000000"> </span><span style="color:#000000">&</span><span style="color:#000000">no_irq_type;</span><br> <span style="color:#000000"> }</span><br> <span style="color:#000000"> }</span><br> <span style="color:#000000">}</span><br> </span>从这段程序可以看出，初始化时，让所有的中断线都处于禁用状态；每条中断线上还没有任何中断服务例程(action为0）；因为中断线被禁用，因此depth为1；对中断控制器的描述分为两种情况，一种就是通常所说的8259A，另一种是其它控制器。<br> 3.2.2、中断控制器描述符hw_interrupt_type<br> 这个描述符包含一组指针，指向与特定的可编程中断控制器电路（PIC）打交道的低级I/O例程，定义如下：<span style="color:#008000"><br> </span></p> <pre name="code" class="html">//位于linux/irq.h struct hw_interrupt_type { const char * typename; unsigned int (*startup)(unsigned int irq); void (*shutdown)(unsigned int irq); void (*enable)(unsigned int irq); void (*disable)(unsigned int irq); void (*ack)(unsigned int irq); void (*end)(unsigned int irq); void (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest); }; typedef struct hw_interrupt_type hw_irq_controller; </pre><br> Linux除了支持常见的8259A芯片外，也支持其他的PIC电路，如SMP IO-APIC、PIIX4的内部 8259 PIC及 SGI的Visual Workstation Cobalt (IO-)APIC。8259A的描述符如下：<span style="color:#008000"><br> </span> <p></p> <p></p> <pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">//位于arch/i386/kernel/i8259.c static struct hw_interrupt_type i8259A_irq_type = { "XT-PIC", startup_8259A_irq, shutdown_8259A_irq, enable_8259A_irq, disable_8259A_irq, mask_and_ack_8259A, end_8259A_irq, NULL };</span> </pre>在这个结构中的第一个域“XT-PIC”是一个名字。接下来，8259A_irq_type包含的指针指向五个不同的函数，这些函数就是对PIC编程的函数。前两个函数分别启动和关闭这个芯片的中断线。但是，在使用8259A芯片的情况下，这两个函数的作用与后两个函数是一样的，后两个函数是启用和禁用中断线。mask_and_ack_8259A函数通过把适当的字节发往8259A I/O端口来应答所接收的IRQ。end_8259A_irq在IRQ的中断处理程序结束时被调用。<br> <br> 3.2.3、中断服务例程描述符irqaction<br> 为了处理多个设备共享一个IRQ，Linux中引入了irqaction数据结构。定义如下：<span style="color:#008000"><br> </span><pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">//位于linux/interrupt.h struct irqaction { irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *); unsigned long flags; cpumask_t mask; const char *name; void *dev_id; struct irqaction *next; int irq; struct proc_dir_entry *dir; };</span> </pre>handler：指向一个具体I/O设备的中断服务例程。这是允许多个设备共享同一中断线的关键域。<br> flags：用一组标志描述中断线与I/O设备之间的关系。<br> SA_INTERRUPT<br> 中断处理程序必须以禁用中断来执行<br> SA_SHIRQ<br> 该设备允许其中断线与其他设备共享。<br> SA_SAMPLE_RANDOM<br> 可以把这个设备看作是随机事件发生源；因此，内核可以用它做随机数产生器。（用户可以从/dev/random 和/dev/urandom设备文件中取得随机数而访问这种特征）<br> SA_PROBE<br> 内核在执行硬件设备探测时正在使用这条中断线。<br> name：I/O设备名（通过读取/proc/interrupts文件，可以看到,在列出中断号时也显示设备名。）<br> dev_id：指定I/O设备的主设备号和次设备号。<br> next：指向irqaction描述符链表的下一个元素。共享同一中断线的每个硬件设备都有其对应的中断服务例程，链表中的每个元素就是对相应设备及中断服务例程的描述。<br> irq：IRQ线。<br> <br> 3.2.4、中断服务例程(Interrupt Service Routine)<br> 在Linux中，中断服务例程和中断处理程序(Interrupt Handler)是两个不同的概念。可以这样认为，中断处理程序相当于某个中断向量的总处理程序，它与中断描述表(IDT)相关；中断服务例程(ISR)在中断处理过程被调用，它与IRQ描述符相关，一般来说，它是设备驱动的一部分。<br> (1) 注册中断服务例程<br> 中断服务例程是硬件驱动的组成部分，如果设备要使用中断，相应的驱动程序在初始化的过程中可以通过调用request_irq函数注册中断服务例程。<br> <pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">//位于kernel/irq/manage.c /*irq：IRQ号 **handler：中断服务例程 **irqflags:SA_SHIRQ,SA_INTERRUPT或SA_SAMPLE_RANDOM **devname:设备名称,这些名称会被/proc/irq和/proc/interrupt使用 **dev_id：主要用于设备共享 */ int request_irq(unsigned int irq, irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *), unsigned long irqflags, const char * devname, void *dev_id) { struct irqaction * action; int retval; /* * Sanity-check: shared interrupts must pass in a real dev-ID, * otherwise we'll have trouble later trying to figure out * which interrupt is which (messes up the interrupt freeing * logic etc). */ if ((irqflags & SA_SHIRQ) && !dev_id) return -EINVAL; if (irq >= NR_IRQS) return -EINVAL; if (!handler) return -EINVAL; //分配数据结构空间 action = kmalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_ATOMIC); if (!action) return -ENOMEM; action->handler = handler; action->flags = irqflags; cpus_clear(action->mask); action->name = devname; action->next = NULL; action->dev_id = dev_id; //调用setup_irq完成真正的注册，驱动程序也可以调用它来完成注册 retval = setup_irq(irq, action); if (retval) kfree(action); return retval; }</span> </pre>来看实时时钟初始化函数如何使用request_irq()：<span style="color:#008000"><br> </span><pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">//位于driver/char/rtc.c static int __init rtc_init(void) { request_irq(RTC_IRQ, rtc_int_handler_ptr, SA_INTERRUPT, "rtc", NULL); }</span> </pre>再看看时钟中断初始化函数：<span style="color:#008000"><br> </span><pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">//位于arch/i386/mach_default/setup.c static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, CPU_MASK_NONE, "timer", NULL, NULL}; //由time_init()调用 void __init time_init_hook(void) { setup_irq(0, &irq0); }</span> </pre>3.3、中断处理流程<br> 整个流程如下：<span style="color:#008000"><br> <img alt="" src="http://images.cnblogs.com/cnblogs_com/hustcat/Kernel/kernel_1_5.JPG" height="471" width="692"><br> </span>所有I/O中断处理函数的过程如下：<br> (1)把IRQ值和所有寄存器值压入内核栈；<br> (2) 给与IRQ中断线相连的中断控制器发送一个应答，这将允许在这条中断线上进一步发出中断请求；<br> (3)执行共享这个IRQ的所有设备的中断服务例程（ISR）；<br> (4)跳到ret_from_intr()处结束。<br> <br> 3.3.1、保存现场与恢复现场<br> 中断处理程序做的第一件事就是保存现场，由宏SAVE_ALL(位于entry.S中)完成：<span style="color:#008000"><br> </span><pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">#define SAVE_ALL \ cld; \ pushl %es; \ pushl %ds; \ pushl %eax; \ pushl %ebp; \ pushl %edi; \ pushl %esi; \ pushl %edx; \ pushl %ecx; \ pushl %ebx; \ movl $(__USER_DS), %edx; \ movl %edx, %ds; \ movl %edx, %es;</span> </pre>当内核执行SAVE_ALL后，内核栈中的内容如下：<span style="color:#008000"><br> <img alt="" src="http://images.cnblogs.com/cnblogs_com/hustcat/Kernel/kernel_1_6.JPG" height="326" width="444"><br> </span>恢复现场由宏RESTORE_ALL完成<br> <span style="color:#008000"></span><pre name="code" class="html">#define RESTORE_ALL \ RESTORE_REGS \ addl $4, %esp; \ 1: iret; \ .section .fixup,"ax"; \ 2: sti; \ movl $(__USER_DS), %edx; \ movl %edx, %ds; \ movl %edx, %es; \ movl $11,%eax; \ call do_exit; \ .previous; \ .section __ex_table,"a";\ .align 4; \ .long 1b,2b; \ .previous 复制代码 </pre><br> 3.3.2、do_IRQ()函数<br> 该函数的大致内容如下：<span style="color:#008000"><br> </span><pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">//arch/i386/kernel/irq.c fastcall unsigned int do_IRQ(struct pt_regs *regs) { /* high bits used in ret_from_ code */ //取得中断号 int irq = regs->orig_eax & 0xff; //增加代表嵌套中断数量的计数器的值,该值保存在current->thread_info->preempt_count irq_enter(); __do_IRQ(irq, regs); //减中断计数器preempt_count的值,检查是否有软中断要处理 irq_exit(); }</span> </pre>结构体pt_regs如下，位于inclue/asm-i386/ptrace.h：<span style="color:#008000"><br> </span><pre name="code" class="html">struct pt_regs { long ebx; long ecx; long edx; long esi; long edi; long ebp; long eax; int xds; int xes; long orig_eax; long eip; int xcs; long eflags; long esp; int xss; }; </pre><br> 与内核栈相比，是内核栈中内容的一致。<br> 3.3.3、__do_IRQ()函数<br> 该函数的内容如下：<span style="color:#008000"><br> </span><pre name="code" class="html"><span style="color:#008000;">//位于kernel/irq/handle.c fastcall unsigned int __do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs) { irq_desc_t *desc = irq_desc + irq; struct irqaction * action; unsigned int status; kstat_this_cpu.irqs[irq]++; if (desc->status & IRQ_PER_CPU) { irqreturn_t action_ret; /* * No locking required for CPU-local interrupts: */ //确认中断 desc->handler->ack(irq); action_ret = handle_IRQ_event(irq, regs, desc->action); if (!noirqdebug) note_interrupt(irq, desc, action_ret); desc->handler->end(irq); return 1; } /*加自旋锁.对于多CPU系统,这是必须的,因为同类型的其它中断可能产生,并被其它的CPU处理, **没有自旋锁,IRQ描述符将被多个CPU同时访问. */ spin_lock(&desc->lock); /*确认中断.对于8259A PIC,由mask_and_ack_8259A()完成确认,并禁用当前IRQ线. **屏蔽中断是为了确保该中断处理程序结束前,CPU不会又接受这种中断.虽然,CPU在处理中断会自动 **清除eflags中的IF标志,但是在执行中断服务例程前,可能重新激活本地中断.见handle_IRQ_event. */ /*在多处理器上,应答中断依赖于具体的中断类型.可能由ack方法做,也可能由end方法做.不管怎样,在中断处理结束 *前,本地APIC不再接收同样的中断,尽管这种中断可以被其它CPU接收. */ desc->handler->ack(irq); /* * REPLAY is when Linux resends an IRQ that was dropped earlier * WAITING is used by probe to mark irqs that are being tested */ //清除IRQ_REPLAY和IRQ_WAITING标志 status = desc->status & ~(IRQ_REPLAY | IRQ_WAITING); /* IRQ_PENDING表示一个IRQ已经出现在中断线上，且被应答，但还没有为它提供服务 */ status |= IRQ_PENDING; /* we _want_ to handle it */ /* * If the IRQ is disabled for whatever reason, we cannot * use the action we have. */ action = NULL; /*现在开始检查是否真的需要处理中断.在三种情况下什么也不做. *(1)IRQ_DISABLED被设置.即使在相应的IRQ线被禁止的情况下,do_IRQ()也可能执行. *(2)IRQ_INPROGRESS被设置时,在多CPU系统中,表示其它CPU正在处理同样中断的前一次发生.Linux中,同类型 *中断的中断服务例程由同一个CPU处理.这样使得中断服务例程不必是可重入的(在同一CPU上串行执行). * *(3)action==NULL.此时,直接跳到out处执行. */ if (likely(!(status & (IRQ_DISABLED | IRQ_INPROGRESS)))) { action = desc->action; //清除IRQ_PENDING标志 status &= ~IRQ_PENDING; /* we commit to handling */ /*表示当前CPU正在处理该中断,其它CPU不应该处理同样的中断,而应该让给本CPU处理.一旦设置 *IRQ_INPROGRESS,其它CPU即使进行do_IRQ，也不会执行该程序段,则action==NULL,则其它CPU什么也不做. *当调用handle_IRQ_event执行中断服务例程时,由于释放了自旋锁,其它CPU可能接受到同类型的中断(本CPU *不会接受同类型中断),而进入do_IRQ(),并设置IRQ_PENDING. */ status |= IRQ_INPROGRESS; /* we are handling it */ } desc->status = status; /* * If there is no IRQ handler or it was disabled, exit early. * Since we set PENDING, if another processor is handling * a different instance of this same irq, the other processor * will take care of it. */ if (unlikely(!action)) goto out; /* * Edge triggered interrupts need to remember * pending events. * This applies to any hw interrupts that allow a second * instance of the same irq to arrive while we are in do_IRQ * or in the handler. But the code here only handles the _second_ * instance of the irq, not the third or fourth. So it is mostly * useful for irq hardware that does not mask cleanly in an * SMP environment. */ for (;;) { irqreturn_t action_ret; //释放自旋锁 spin_unlock(&desc->lock); action_ret = handle_IRQ_event(irq, regs, action); //加自旋锁 spin_lock(&desc->lock); if (!noirqdebug) note_interrupt(irq, desc, action_ret); /*如果此时IRQ_PENDING处于清除状态,说明中断服务例程已经执行完毕,退出循环.反之,说明在执行中断服务例程时, *其它CPU进入过do_IRQ,并设置了IRQ_PENDING.也就是说其它CPU收到了同类型的中断.此时,应该清除 *IRQ_INPROGRESS,并重新循环,执行中断服务例程,处理其它CPU收到的中断. */ if (likely(!(desc->status & IRQ_PENDING))) break; desc->status &= ~IRQ_PENDING; } /*所有中断处理完毕,则清除IRQ_INPROGRESS*/ desc->status &= ~IRQ_INPROGRESS; out: /* * The ->end() handler has to deal with interrupts which got * disabled while the handler was running. */ //结束中断处理.对end_8259A_irq()仅仅是重新激活中断线. /*对于多处器,end应答中断(如果ack方法还没有做的话) */ desc->handler->end(irq); //最后,释放自旋锁, spin_unlock(&desc->lock); return 1; }</span> </pre> <p></p> <div id="cnblogs_post_body">3.3.4、handle_IRQ_event<span style="color:#008000"><br> //kernel/irq/handle.c<br> fastcall int handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct pt_regs *regs,<br> struct irqaction *action)<br> {<br> int ret, retval = 0, status = 0;<br> //开启本地中断,对于单CPU,仅仅是sti指令<br> if (!(action->flags & SA_INTERRUPT))<br> local_irq_enable();<br> //依次调用共享该中断向量的服务例程<br> do {<br> //调用中断服务例程<br> ret = action->handler(irq, action->dev_id, regs);<br> if (ret == IRQ_HANDLED)<br> status |= action->flags;<br> retval |= ret;<br> action = action->next;<br> } while (action);<br> <br> if (status & SA_SAMPLE_RANDOM)<br> add_interrupt_randomness(irq);<br> //关本地中断,对于单CPU,为cli指令<br> local_irq_disable();<br> <br> return retval;<br> }<br> <br> </span></div> <span style="color:#008000"><br> </span> <p></p>
【作者】sky
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