Linux x86_64内核中断初始化

中断分类

Linux系统中，中断分为：

• 硬中断：由外部设备或者执行异常产生的需要快速处理的中断。如缺页中断、定时器硬件中断。

  根据内部产生还是外部产生，分为：

  1. 异常：异常是内部产生的中断，不可屏蔽。
  2. 外部中断：外部中断是由外部设备产生的，可以屏蔽。

• 软中断：

  ​ 软中断是Linux系统中断处理的底半处理部分，是Linux模拟的中断。为了加快硬件中断的处理，防止数据的丢失，Linux对中断处理分为顶半处理和底半处理两部分，顶半处理程序快速处理硬件事件，把不是那么紧急的逻辑放到底半处理程序中，可以简单的认为硬终端处理程序为顶半处理程序，软中断处理程序为底半处理程序。软中断一般在硬中断处理程序执行后才会执行。但是当硬中断嵌套的时候，软中断会在所有的硬中断处理完毕后才会处理，当软中断太多，会放到ksoftirqd线程中处理。

内核初始化-中断

intel处理器有256个硬中断号。其中前32个中断号为异常使用，在内核初始化的时候进行初始化。内核初始化的代码流程如下：
可以看到首先初始化异常处理，再初始化部分外部中断，再初始化一部分软中断处理。

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
	 
	lock_kernel();
	...
     //初始化调度模块
	sched_init();

	...
	sort_main_extable();
    // 初始化异常处理。
	trap_init();
	...
    // 初始化外部中断
	init_IRQ();
    ...
	// 初始化定时器模块，同时，会注册定时器的软中断处理函数。
    init_timers();
    
    // 初始化软中断）
	softirq_init();
	time_init();
	...
	// 初始化
	acpi_early_init();
}

异常中断初始化

异常中断在内核中称为trap，异常中断初始化代码为

//门初始化。初始化中断向量表。系统有固定的256个硬件中断向量。
void __init trap_init(void)
{
    
	set_intr_gate(0,&divide_error);
	set_intr_gate_ist(1,&debug,DEBUG_STACK);
	set_intr_gate_ist(2,&nmi,NMI_STACK);
	set_intr_gate(3,&int3);
	set_system_gate(4,&overflow);	/* int4-5 can be called from all */
	set_system_gate(5,&bounds);
	set_intr_gate(6,&invalid_op);
	set_intr_gate(7,&device_not_available);
	set_intr_gate_ist(8,&double_fault, DOUBLEFAULT_STACK);
	set_intr_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
	set_intr_gate(10,&invalid_TSS);
	set_intr_gate(11,&segment_not_present);
	set_intr_gate_ist(12,&stack_segment,STACKFAULT_STACK);
	set_intr_gate(13,&general_protection);
	set_intr_gate(14,&page_fault);
	set_intr_gate(15,&spurious_interrupt_bug);
	set_intr_gate(16,&coprocessor_error);
	set_intr_gate(17,&alignment_check);
#ifdef CONFIG_X86_MCE
	set_intr_gate_ist(18,&machine_check, MCE_STACK); 
#endif
	set_intr_gate(19,&simd_coprocessor_error);

#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
	set_system_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall);
#endif
       
	set_intr_gate(KDB_VECTOR, call_debug);
       
	/*
	 * Should be a barrier for any external CPU state.
	 */
	cpu_init();
}

总结如下：

中断向量号	异常事件	Linux的处理程序
0	除法错误	Divide_error
1	调试异常	Debug
2	NMI中断	Nmi
3	单字节，int 3	Int3
4	溢出	Overflow
5	边界监测中断	Bounds
6	无效操作码	Invalid_op
7	设备不可用	Device_not_available
8	双重故障	Double_fault
9	协处理器段溢出	Coprocessor_segment_overrun
10	无效TSS	Incalid_tss
11	缺段中断	Segment_not_present
12	堆栈异常	Stack_segment
13	一般保护异常	General_protection
14	页异常	Page_fault
15		Spurious_interrupt_bug
16	协处理器出错	Coprocessor_error
17	对齐检查中断	Alignment_check
0x80	系统调用	ia32_syscall
0xf9	内核调试	call_debug

上述中断处理函数都是汇编语言编写。一部分汇编直接处理完毕，一部分通过调用C函数帮助处理。
汇编代码在linux/arch/x86_64/entry.S中，大部分都是调用C函数do_中断处理函数名处理。
整理如下：

中断向量号	异常事件	Linux汇编	调用c函数	处理结果
0	除法错误	Divide_error	do_divide_error	发送SIGFPE信号
1	调试异常	Debug	do_debug	发送SIGTRAP信号
2	NMI中断	Nmi	do_nmi
3	单字节，int 3	Int3	do_int3	发送SIGTRAP信号
4	溢出	Overflow	do_overflow	发送SIGSEGV信号
5	边界监测中断	Bounds	do_bounds	发送SIGSEGV信号
6	无效操作码	Invalid_op	do_invalid_op	发送SIGILL信号
7	设备不可用	Device_not_available	math_state_restore	发送SIGSEGV信号
8	双重故障	Double_fault	do_double_fault
9	协处理器段溢出	Coprocessor_segment_overrun	do_coprocessor_segment_overrun	发送SIGFPE信号
10	无效TSS	Invalid_tss	do_invalid_TSS	发送SIGSEGV信号
11	缺段中断	Segment_not_present	do_segment_not_present	发送SIGBUS信号
12	堆栈异常	Stack_segment	do_stack_segment
13	一般保护异常	General_protection	do_general_protection
14	页异常	Page_fault	do_page_fault	处理缺页中断
15		Spurious_interrupt_bug	do_spurious_interrupt_bug
16	协处理器出错	Coprocessor_error	do_coprocessor_error	发送SIGFPE信号
17	对齐检查中断	Alignment_check	do_alignment_check	发送SIGBUS信号
0x80	系统调用	ia32_syscall
0xf9	内核调试	call_debug	do_call_debug

外部中断初始化

中断控制器硬件APIC分为两种：本地APIC和全局APIC。本地APIC集成在CPU内部，每个CPU都有一个，用于处理本地中断请求，CPU可以通过APIC向其他CPU发送中断，现在主要用于CPU之间的通信（IPI）。全局APIC主要是连接外部设备，用于外部设备的中断。在内核中断初始化的时候，会初始化三个与IPI相关中断。

void __init init_IRQ(void)
{
	int i;
	/**
	* 该函数主要是初始化硬件
	* 1. 初始化本地APIC控制芯片
	* 2. 初始化8259A芯片
	/
	init_ISA_irqs();
	/*
	 * 清空32以后的中断向量表。（除了系统调用和内核调试用的中断号）
	 */
	for (i = 0; i < (NR_VECTORS - FIRST_EXTERNAL_VECTOR); i++) {
		int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
		if (i >= NR_IRQS)
			break;
		if (vector != IA32_SYSCALL_VECTOR && vector != KDB_VECTOR) { 
			set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
	}
	}
// 多处理器通信中断
#ifdef CONFIG_SMP

	set_intr_gate(FIRST_DEVICE_VECTOR, interrupt[0]);
	set_intr_gate(RESCHEDULE_VECTOR, reschedule_interrupt);
	set_intr_gate(INVALIDATE_TLB_VECTOR, invalidate_interrupt);
	set_intr_gate(CALL_FUNCTION_VECTOR, call_function_interrupt);
#endif	
// 本地APIC中断
#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
	/* self generated IPI for local APIC timer */
    set_intr_gate(LOCAL_TIMER_VECTOR, apic_timer_interrupt);
    set_intr_gate(SPURIOUS_APIC_VECTOR, spurious_interrupt);
	set_intr_gate(ERROR_APIC_VECTOR, error_interrupt);
#endif
	setup_timer();

	if (!acpi_ioapic)
		setup_irq(2, &irq2);
}

总结如下：

中断向量号	中断名	异常事件	中断处理函数	调用c函数	处理结果
0xfc	RESCHEDULE_VECTOR	处理器间中断， 用于cpu之间同学，其他cpu要求重新调度	reschedule_interrupt	smp_reschedule_interrupt	将线程调度标志置为需要重新调度。之后内核检查标志的时候会重新调度线程
0xfd	INVALIDATE_TLB_VECTOR	处理器间中断， 用于cpu之间通信，其他cpu要求TLB缓存失效	invalidate_interrupt	smp_invalidate_interrupt	cpu刷新TLB
0xfa	CALL_FUNCTION_VECTOR	处理器间中断， 用于cpu之间通信，让另外的cpu调用某个函数	call_function_interrupt	smp_call_function_interrupt	函数数据通过call_data_struct传送，cpu会调用该函数
0xef	LOCAL_TIMER_VECTOR	APIC定期器中断	apic_timer_interrupt	smp_apic_timer_interrupt	触发定时器的软中断
0xff	SPURIOUS_APIC_VECTOR	伪中断	spurious_interrupt	smp_spurious_interrupt	忽略
0xfe	ERROR_APIC_VECTOR	APIC错误	error_interrupt	smp_error_interrupt	打印错误

0xfa中断说明：
当cpu需要另一个cpu执行某个函数时，只需要初始化

struct call_data_struct {
	void (*func) (void *info);
	void *info;
	atomic_t started;
	atomic_t finished;
	int wait;
};

的结构体，然后发出一个0xfa中断即可。

软中断初始化

软中断初始化分为两部分：

1. 初始化定时器时，会打开TIMER_SOFTIRQ的软中断，并设置中断处理函数为run_timer_softirq。
2. softirq_init函数执行，会打开TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ，处理函数分别为 tasklet_action和 tasklet_hi_action。

软中断的线程处理机制就不说了。