linux內(nèi)核中斷機(jī)制

　　為什么需要中斷？

　　如果讓內(nèi)核定期對設(shè)備進(jìn)行輪詢，以便處理設(shè)備，那會做很多無用功，因?yàn)橥庠O(shè)的處理速度一般慢于CPU，而CPU不能一直等待外部事件。所以能讓設(shè)備在需要內(nèi)核時(shí)主動通知內(nèi)核，會是一個聰明的方式，這便是中斷。

　　中斷處理程序

　　在響應(yīng)一個特定中斷時(shí)，內(nèi)核會執(zhí)行一個函數(shù)——中斷處理程序。中斷處理程序與其他內(nèi)核函數(shù)的區(qū)別在于，中斷處理程序是被內(nèi)核調(diào)用來響應(yīng)中斷的，而它們運(yùn)行于我們稱之為中斷上下文的特殊上下文中。

　　中斷處理程序就是普通的C代碼。特別之處在于中斷處理程序是在中斷上下文中運(yùn)行的，它的行為受到某些限制：

　　1）不能向用戶空間發(fā)送或接受數(shù)據(jù)

　　2）不能使用可能引起阻塞的函數(shù)

　　3）不能使用可能引起調(diào)度的函數(shù)

　　中斷機(jī)制

　　Linux中斷主要分為硬中斷（IRQ）和軟中斷兩類。

　　IRQ主要分為：短類型IRQ和長類型IRQ。短類型IRQ需要很短的時(shí)間，在此期間機(jī)器的其他部分被鎖定，而且不能發(fā)生其他中斷被處理。長類型IRQ需要較長的時(shí)間，期間可能發(fā)生其他中斷。

　　當(dāng)用戶程序被來自外部信號中斷后，立即保存現(xiàn)場工作，包括保存返回地址和用戶寄存器等數(shù)據(jù)，然后查找中斷向量表，找出相應(yīng)的中斷處理程序。系統(tǒng)將中斷分為三種：捕俘、系統(tǒng)調(diào)用和外中斷。捕俘：通過捕俘處理程序入口表查找到用戶編寫的處理程序執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用：軟中斷，通過系統(tǒng)調(diào)用表找到操作系統(tǒng)核心提供的服務(wù)例程。外中斷：直接調(diào)用核心提供的外中斷處理程序運(yùn)行。

　　1、硬中斷過程

　　Linux中，若一個硬件想向CPU發(fā)送中斷信號，必須首先獲得一個可用的“中斷請求線”（即中斷前必須獲得一個可用的IRQ號），產(chǎn)生一個中斷信號后以電信號發(fā)送給中斷控制器（硬件芯片），接著CPU根據(jù)中斷控制器的狀態(tài)位判定中斷的來源，獲得中斷號，根據(jù)中斷號查找中斷向量表，從表中獲得中斷處理函數(shù)的地址，然后跳轉(zhuǎn)到中斷函數(shù)入口地址處，執(zhí)行這個函數(shù)。

　　2、中斷處理程序—硬中斷

　　中斷處理程序主要做的工作：

　　a.保護(hù)未被硬件保護(hù)的一些必須的寄存器

　　b.識別各個中斷源，分析產(chǎn)生中斷的原因

　　c.處理發(fā)生的中斷事件

　　d.恢復(fù)正常的工作

　　Linux規(guī)定中斷處理程序是不可重入的，指的是同一中斷線上不可以再發(fā)生新的中斷，因?yàn)樗械?a target="_blank">處理器都將原中斷所在的中斷線已經(jīng)屏蔽。

　　Linux中同樣規(guī)定了同一中斷程序不能夠并行，這樣同一個中斷處理程序不可以被同時(shí)調(diào)用來處理嵌套的中斷。

　　Linux中將中斷處理程序分為兩部分：上半部和下半部。

　　上半部主要用來處理那些具有嚴(yán)格時(shí)限要求的任務(wù)。上半部可以看做是一個用來“登記 中斷”功能的函數(shù)，將中斷例程的下半部掛到下半部執(zhí)行隊(duì)列中。上半部要求執(zhí)行很快，主要是因?yàn)樯习氩客耆帘沃袛嘞聢?zhí)行，即不可中斷。

　　下半部主要用于處理那些可以稍后執(zhí)行的任務(wù)。下半部是可中斷的，當(dāng)發(fā)生其他中斷時(shí)，下半部可中斷等待另外一個中斷的上半部執(zhí)行完畢后再繼續(xù)執(zhí)行。

　　上下半部機(jī)制

　　我們期望讓中斷處理程序運(yùn)行得快，并想讓它完成的工作量多，這兩個目標(biāo)相互制約，如何解決——上下半部機(jī)制。

　　我們把中斷處理切為兩半。中斷處理程序是上半部——接受中斷，他就立即開始執(zhí)行，但只有做嚴(yán)格時(shí)限的工作。能夠被允許稍后完成的工作會推遲到下半部去，此后，在合適的時(shí)機(jī)，下半部會被開終端執(zhí)行。上半部簡單快速，執(zhí)行時(shí)禁止一些或者全部中斷。下半部稍后執(zhí)行，而且執(zhí)行期間可以響應(yīng)所有的中斷。這種設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)處于中斷屏蔽狀態(tài)的時(shí)間盡可能的短，以此來提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。上半部只有中斷處理程序機(jī)制，而下半部的實(shí)現(xiàn)有軟中斷實(shí)現(xiàn)，tasklet實(shí)現(xiàn)和工作隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。

　　我們用網(wǎng)卡來解釋一下這兩半。當(dāng)網(wǎng)卡接受到數(shù)據(jù)包時(shí)，通知內(nèi)核，觸發(fā)中斷，所謂的上半部就是，及時(shí)讀取數(shù)據(jù)包到內(nèi)存，防止因?yàn)檠舆t導(dǎo)致丟失，這是很急迫的工作。讀到內(nèi)存后，對這些數(shù)據(jù)的處理不再緊迫，此時(shí)內(nèi)核可以去執(zhí)行中斷前運(yùn)行的程序，而對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理則交給下半部處理。

　　上下半部劃分原則

　　1） 如果一個任務(wù)對時(shí)間非常敏感，將其放在中斷處理程序中執(zhí)行；

　　2） 如果一個任務(wù)和硬件有關(guān)，將其放在中斷處理程序中執(zhí)行；

　　3） 如果一個任務(wù)要保證不被其他中斷打斷，將其放在中斷處理程序中執(zhí)行；

　　4） 其他所有任務(wù)，考慮放置在下半部執(zhí)行。

　　Linux中提供了三種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)下半部機(jī)制。

　　（1）軟中斷

　　軟中斷是一組靜態(tài)定義的下半部結(jié)構(gòu)，使用數(shù)組來組織軟中斷結(jié)構(gòu)體，共有32個。兩個相同的軟中斷可以同時(shí)執(zhí)行，必須在編譯期間進(jìn)行靜態(tài)注冊。

　　軟中斷機(jī)制一般都保留給系統(tǒng)中對時(shí)間要求最嚴(yán)格以及重要的下半部來使用。Linux2.6中只有兩個子系統(tǒng)是通過軟中斷來實(shí)現(xiàn)的：網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和SCSI。

　?。?）tasklet

　　tasklet要比軟中斷機(jī)制方便且簡單，而且它本身也是基于軟中斷實(shí)現(xiàn)，屬于軟中斷，既可以靜態(tài)的創(chuàng)建tasklet，也可以動態(tài)的創(chuàng)建tasklet。

　　Linux中tasklet分為兩類：HI_SOFTIRQ和TASKLET_IRQ，前者比后者的優(yōu)先級要高，優(yōu)先調(diào)用前者。在中斷數(shù)組irq_desc［］中會分配兩項(xiàng)給tasklet，即兩種類型各占數(shù)組中一項(xiàng)。兩者分別以一個鏈表來組織。

　?。?）工作隊(duì)列

　?。╳ork queue）工作隊(duì)列與前兩者最大的不同之處是它是唯一一個能在進(jìn)程上下文中運(yùn)行的下半部機(jī)制，意味著它能允許睡眠。

　　工作隊(duì)列的實(shí)質(zhì)是將推后的工作交給一個內(nèi)核線程來完成，核心思想即時(shí)創(chuàng)建一個內(nèi)核線程，Linux中已經(jīng)默認(rèn)提供了一種命名為enents一類工作者線程來實(shí)現(xiàn)工作隊(duì)列。

　　Linux軟中斷和工作隊(duì)列的作用是什么

　　Linux中的軟中斷和工作隊(duì)列是中斷上下部機(jī)制中的下半部實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

　　1.軟中斷一般是“可延遲函數(shù)”的總稱，它不能睡眠，不能阻塞，它處于中斷上下文，不能進(jìn)城切換，軟中斷不能被自己打斷，只能被硬件中斷打斷（上半部），可以并發(fā)的運(yùn)行在多個CPU上。所以軟中斷必須設(shè)計(jì)成可重入的函數(shù)，因此也需要自旋鎖來保護(hù)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　2.工作隊(duì)列中的函數(shù)處在進(jìn)程上下文中，它可以睡眠，也能被阻塞，能夠在不同的進(jìn)程間切換，以完成不同的工作。

　　可延遲函數(shù)和工作隊(duì)列都不能訪問用戶的進(jìn)程空間，可延時(shí)函數(shù)在執(zhí)行時(shí)不可能有任何正在運(yùn)行的進(jìn)程，工作隊(duì)列的函數(shù)有內(nèi)核進(jìn)程執(zhí)行，他不能訪問用戶空間地址。中斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　Linux內(nèi)核中定義了一個數(shù)組irq_desc［］數(shù)組來管理中斷。數(shù)組中的每一項(xiàng)對應(yīng)一個中斷源。數(shù)組中的每個成員都為irq_desc_t結(jié)構(gòu)體，即數(shù)組中的每一項(xiàng)對應(yīng)著中斷向量表中的一項(xiàng)。

　　中斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　Linux內(nèi)核中定義了一個數(shù)組irq_desc［］數(shù)組來管理中斷。數(shù)組中的每一項(xiàng)對應(yīng)一個中斷源。數(shù)組中的每個成員都為irq_desc_t結(jié)構(gòu)體，即數(shù)組中的每一項(xiàng)對應(yīng)著中斷向量表中的一項(xiàng)。

　?。?）irq_desc_t結(jié)構(gòu)體

　　irq_desc_t結(jié)構(gòu)體用來描述中斷源。其中結(jié)構(gòu)體中的handler指向hw_interrupt_type結(jié)構(gòu)體的指針，action變量指向由irqaction結(jié)構(gòu)體組成的單向鏈表的頭的指針。

　?。?）irqaction結(jié)構(gòu)體

　　該結(jié)構(gòu)體中指明內(nèi)核接收到特定IRQ后該才去的動作。結(jié)構(gòu)體中變量handler指向中斷處理程序。

　　（3）hw_interrupt_type結(jié)構(gòu)體

　　用來描述中斷控制器，是一個抽象的中斷控制器。

　　中斷上下文

　　當(dāng)一個中斷處理程序正在執(zhí)行時(shí)，內(nèi)核處于中斷上下文中。中斷上下文是不可以睡眠的。與進(jìn)程上下文是不同的，進(jìn)程上下文即使睡眠了也可以重新調(diào)度將其喚醒，中斷上下文不可以被重新調(diào)度。 中斷處理程序沒有自己的堆棧，它會共享被它中斷的那個進(jìn)程的堆棧，如果沒有進(jìn)程正在執(zhí)行，則占用idle進(jìn)程的堆棧（每個處理器都有自己的運(yùn)行隊(duì)列，隊(duì)列中都有idle進(jìn)程，當(dāng)前運(yùn)行隊(duì)列都dequeue時(shí)則運(yùn)行idle進(jìn)程）

　　Linux中斷編程

　　中斷申請（申請IRQ）-----request_irq（）

　　釋放IRQ------free_irq（）

　　使能和屏蔽IRQ

　　disable_irq（） disable_irq_nosync（） enable_irq（）

　　底半部機(jī)制：Linux實(shí)現(xiàn)底半部機(jī)制主要方式有 tasklet 工作隊(duì)列 軟中斷