需要了解的Linux的IRQ中斷子系統(tǒng)

本文以Linux中斷子系統(tǒng)架構(gòu)為視角，旨在提供一個(gè)對(duì)Linux中斷系統(tǒng)的全局認(rèn)識(shí)，不涉及具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

一、Linux中斷子系統(tǒng)架構(gòu)

在Linux中斷子系統(tǒng)（generic irq）出現(xiàn)之前，內(nèi)核使用__do_IRQ處理所有的中斷，這意味著__do_IRQ中要處理各種類型的中斷，這會(huì)導(dǎo)致軟件的復(fù)雜性增加，層次不分明，而且代碼的可重用性也不好。通用中斷子系統(tǒng)的原型最初出現(xiàn)于ARM體系中，一開始內(nèi)核的開發(fā)者們把3種中斷類型區(qū)分出來（電平中斷、邊緣中斷、簡易中斷），后來又針對(duì)某些需要回應(yīng)eoi（end of interrupt）的中斷控制器，加入了fast eoi type，針對(duì)smp加入了per cpu type。把這些不同的中斷類型抽象出來后，成為了中斷子系統(tǒng)的流控層。要使所有的體系架構(gòu)都可以重用這部分的代碼，中斷控制器也被進(jìn)一步地封裝起來，形成了中斷子系統(tǒng)中的芯片級(jí)硬件封裝層。

二、芯片級(jí)硬件封裝層

中斷系統(tǒng)與CPU硬件關(guān)系密切，linux系統(tǒng)為了兼容各種型號(hào)的CPU，提供了對(duì)于各種CPU的特性及其中斷控制器的底層封裝，這樣就可以把底層的硬件實(shí)現(xiàn)盡可能地隱藏起來，使得驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)人員不用關(guān)注底層的實(shí)現(xiàn)。該部分主要工作是：

l??實(shí)現(xiàn)不同CPU的中斷入口，初始化中斷向量表，該部分通常由匯編實(shí)現(xiàn)。

l??對(duì)中斷控制器實(shí)現(xiàn)軟件抽象（struct irq_chip），源碼路徑如：” arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c”

該部分初始化過程中，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備使用的中斷控制器的類型，實(shí)現(xiàn)irq_chip結(jié)構(gòu)中的接口，并把該irq_chip實(shí)例注冊(cè)到irq_desc.irq_data.chip字段中，這樣各個(gè)irq和中斷控制器就進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，只要知道irq編號(hào)，即可得到對(duì)應(yīng)到irq_desc結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以通過chip指針訪問中斷控制器。?其初始化流程如下圖所示：

三、中斷流控層

由linux內(nèi)核提供，所謂中斷流控是指合理并正確地處理連續(xù)發(fā)生的中斷，比如一個(gè)中斷在處理中，同一個(gè)中斷再次到達(dá)時(shí)如何處理，何時(shí)應(yīng)該屏蔽中斷，何時(shí)打開中斷，何時(shí)回應(yīng)中斷控制器等一系列的操作。該層實(shí)現(xiàn)了與體系和硬件無關(guān)的中斷流控處理操作，它針對(duì)不同的中斷電氣類型（level，edge......），實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中斷流控處理函數(shù)，在這些處理函數(shù)中，最終會(huì)把中斷控制權(quán)傳遞到驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)中斷時(shí)傳入的處理函數(shù)或者是中斷線程中。

目前的通用中斷子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下這些標(biāo)準(zhǔn)流控回調(diào)函數(shù)，這些函數(shù)都定義在：”kernel/irq/chip.c”中，

handle_simple_irq ?用于簡易流控處理；

handle_level_irq ?用于電平觸發(fā)中斷的流控處理；

handle_edge_irq ?用于邊沿觸發(fā)中斷的流控處理；

handle_fasteoi_irq ?用于需要響應(yīng)eoi的中斷控制器；

handle_percpu_irq ?用于只在單一cpu響應(yīng)的中斷；

handle_nested_irq ?用于處理使用線程的嵌套中斷；

以下這個(gè)序列圖展示了整個(gè)通用中斷子系統(tǒng)的中斷響應(yīng)過程，flow_handle一欄就是中斷流控層的生命周期：

四、中斷驅(qū)動(dòng)接口層?

由linux內(nèi)核提供，驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)者通常只會(huì)使用到這一層提供的這些接口即可完成驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工作，其他的細(xì)節(jié)都由另外幾個(gè)軟件層較好地“隱藏”起來了，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者無需再關(guān)注底層的實(shí)現(xiàn)。該部分向驅(qū)動(dòng)程序提供的一系列的編程，用于向系統(tǒng)申請(qǐng)/釋放中斷，打開/關(guān)閉中斷，設(shè)置中斷類型和中斷喚醒系統(tǒng)的特性等操作。常用的一些接口如：

l??request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
?????????????????????????unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)

用來向Linux申請(qǐng)中斷。

irq是要申請(qǐng)的硬件中斷號(hào)。

handler是向系統(tǒng)注冊(cè)的中斷處理函數(shù)。

irqflags是中斷處理的屬性，一般用來指定相應(yīng)的中斷流控。

devname設(shè)置中斷名稱，通常是在cat /proc/interrupts中可以看到此名稱。

dev_id在中斷共享時(shí)會(huì)用到，一般設(shè)置為這個(gè)設(shè)備的設(shè)備結(jié)構(gòu)體或者NULL。

l??enable_irq(unsigned int irq)

用來打開中斷。

l??disable_irq(unsigned int irq)

用來關(guān)閉中斷。

l??irq_set_chip(irq, *chip)

設(shè)置中斷控制器

l??irq_set_handler(irq,handle)

設(shè)置中斷流控

中斷子系統(tǒng)內(nèi)部定義了幾個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)字段控制或影響著中斷子系統(tǒng)和各個(gè)irq的行為和實(shí)現(xiàn)方式。例如：irq_desc，irq_chip，irq_data，irqaction，等等。其中?irq_desc[NR_IRQS]數(shù)組是linux內(nèi)核中用于維護(hù)IRQ資源的管理單元，它記錄了某IRQ號(hào)對(duì)應(yīng)的流控處理函數(shù)，中斷控制器、中斷服務(wù)程序、IRQ自身的屬性、資源等，是內(nèi)核中斷子系統(tǒng)的一個(gè)核心數(shù)組，中斷驅(qū)動(dòng)接口“request_irq()”就是通過修改該數(shù)組以實(shí)現(xiàn)中斷的注冊(cè)。

五、中斷驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)?

有了前幾層所做的貢獻(xiàn)，使得我們進(jìn)行l(wèi)inux中斷驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)變得異常簡單。一般情況下，我們只需要使用”request_irq”函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)相應(yīng)的中斷號(hào)及其中斷服務(wù)程序，然后調(diào)用“enable_irq”“disable_irq”開開或關(guān)閉中斷即可。其流程如下圖所示：

六、中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)?

當(dāng)CPU收到中斷，就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)中斷服務(wù)程序，我們知道CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)是不能執(zhí)行其他程序的，甚至此時(shí)CPU不能響應(yīng)某些優(yōu)先級(jí)比它低的中斷，如果CPU一直長時(shí)間執(zhí)行某個(gè)中斷服務(wù)程序，勢必影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了系統(tǒng)性能。為此Linux中斷子系統(tǒng)將中斷分為了中斷上文和中斷下文，中斷上文用來執(zhí)行一些緊迫的程序，中斷下文用來執(zhí)行一些不緊急的可延后執(zhí)行的程序。Linux提供了三種機(jī)制來處理中斷下文：Soft irq（軟中斷）、Tasklet、work_queue（工作隊(duì)列）。

???軟中斷

???Tasklet

???Work_queue

?