Linux 2.4.x內(nèi)核軟中斷機(jī)制

本文從Linux內(nèi)核幾種軟中斷機(jī)制相互關(guān)系和發(fā)展沿革入手，分析了這些機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法，給出了它們的基本用法。
　　軟中斷概況
　　軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)宏觀上的異步執(zhí)行效果。很多情況下，軟中斷和“信號(hào)”有些類似，同時(shí)，軟中斷又是和硬中斷相對(duì)應(yīng)的，“硬中斷是外部設(shè)備對(duì)CPU的中斷”，“軟中斷通常是硬中斷服務(wù)程序?qū)?nèi)核的中斷”，“信號(hào)則是由內(nèi)核（或其他進(jìn)程）對(duì)某個(gè)進(jìn)程的中斷”（《Linux內(nèi)核源代碼情景分析》第三章）。軟中斷的一種典型應(yīng)用就是所謂的“下半部”（bottom half），它的得名來自于將硬件中斷處理分離成“上半部”和“下半部”兩個(gè)階段的機(jī)制：上半部在屏蔽中斷的上下文中運(yùn)行，用于完成關(guān)鍵性的處理動(dòng)作；而下半部則相對(duì)來說并不是非常緊急的，通常還是比較耗時(shí)的，因此由系統(tǒng)自行安排運(yùn)行時(shí)機(jī)，不在中斷服務(wù)上下文中執(zhí)行。bottom half的應(yīng)用也是激勵(lì)內(nèi)核發(fā)展出目前的軟中斷機(jī)制的原因，因此，我們先從bottom half的實(shí)現(xiàn)開始。
　　bottom half
　　在Linux內(nèi)核中，bottom half通常用“bh”表示，最初用于在特權(quán)級(jí)較低的上下文中完成中斷服務(wù)的非關(guān)鍵耗時(shí)動(dòng)作，現(xiàn)在也用于一切可在低優(yōu)先級(jí)的上下文中執(zhí)行的異步動(dòng)作。最早的bottom half實(shí)現(xiàn)是借用中斷向量表的方式，在目前的2.4.x內(nèi)核中仍然可以看到：
　　static void （*bh_base［32］）（void）; /* kernel/softirq.c */
　　系統(tǒng)如此定義了一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，共有32個(gè)函數(shù)指針，采用數(shù)組索引來訪問，與此相對(duì)應(yīng)的是一套函數(shù)：
　　void init_bh（int nr，void （*routine）（void））;
　　為第nr個(gè)函數(shù)指針賦值為routine。
　　void remove_bh（int nr）;
　　動(dòng)作與init_bh（）相反，卸下nr函數(shù)指針。
　　void mark_bh（int nr）;
　　標(biāo)志第nr個(gè)bottom half可執(zhí)行了。
　　由于歷史的原因，bh_base各個(gè)函數(shù)指針位置大多有了預(yù)定義的意義，在v2.4.2內(nèi)核里有這樣一個(gè)枚舉：
　　enum {
　　TIMER_BH = 0，
　　TQUEUE_BH，
　　DIGI_BH，
　　SERIAL_BH，
　　RISCOM8_BH，
　　SPECIALIX_BH，
　　AURORA_BH，
　　ESP_BH，
　　SCSI_BH，
　　IMMEDIATE_BH，
　　CYCLADES_BH，
　　CM206_BH，
　　JS_BH，
　　MACSERIAL_BH，
　　ISICOM_BH
　　};
　　并約定某個(gè)驅(qū)動(dòng)使用某個(gè)bottom half位置，比如串口中斷就約定使用SERIAL_BH，現(xiàn)在我們用得多的主要是TIMER_BH、TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH，但語義已經(jīng)很不一樣了，因?yàn)檎麄€(gè)bottom half的使用方式已經(jīng)很不一樣了，這三個(gè)函數(shù)僅僅是在接口上保持了向下兼容，在實(shí)現(xiàn)上一直都在隨著內(nèi)核的軟中斷機(jī)制在變。現(xiàn)在，在2.4.x內(nèi)核里，它用的是tasklet機(jī)制。
　　task queue
　　在介紹tasklet之前，有必要先看看出現(xiàn)得更早一些的task queue機(jī)制。顯而易見，原始的bottom half機(jī)制有幾個(gè)很大的局限，最重要的一個(gè)就是個(gè)數(shù)限制在32個(gè)以內(nèi)，隨著系統(tǒng)硬件越來越多，軟中斷的應(yīng)用范圍越來越大，這個(gè)數(shù)目顯然是不夠用的，而且，每個(gè)bottom half上只能掛接一個(gè)函數(shù)，也是不夠用的。因此，在2.0.x內(nèi)核里，已經(jīng)在用task queue（任務(wù)隊(duì)列）的辦法對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)充，這里使用的是2.4.2中的實(shí)現(xiàn)。
　　task queue是在系統(tǒng)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建成的，以下即為task queue的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義在include/linux/tqueue.h中：
　　struct tq_struct {
　　struct list_head list; /* 鏈表結(jié)構(gòu) */
　　unsigned long sync; /* 初識(shí)為0，入隊(duì)時(shí)原子的置1，以避免重復(fù)入隊(duì) */
　　void （*routine）（void *）; /* 激活時(shí)調(diào)用的函數(shù) */
　　void *data; /* routine（data） */
　　};
　　typedef struct list_head task_queue;
　　在使用時(shí)，按照下列步驟進(jìn)行：
　　DECLARE_TASK_QUEUE（my_tqueue）; /* 定義一個(gè)my_tqueue，實(shí)際上就是一個(gè)以tq_struct為元素的list_head隊(duì)列 */
　　說明并定義一個(gè)tq_struct變量my_task;
　　queue_task（&my_task，&my_tqueue）; /* 將my_task注冊(cè)到my_tqueue中 */
　　run_task_queue（&my_tqueue）; /* 在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候手工啟動(dòng)my_tqueue */
　　大多數(shù)情況下，都沒有必要調(diào)用DECLARE_TASK_QUEUE（）定義自己的task queue，因?yàn)橄到y(tǒng)已經(jīng)預(yù)定義了三個(gè)task queue：
　　tq_timer，由時(shí)鐘中斷服務(wù)程序啟動(dòng)；
　　tq_immediate，在中斷返回前以及schedule（）函數(shù)中啟動(dòng)；
　　tq_disk，內(nèi)存管理模塊內(nèi)部使用。
　　一般使用tq_immediate就可以完成大多數(shù)異步任務(wù)了。
　　run_task_queue（task_queue *list）函數(shù)可用于啟動(dòng)list中掛接的所有task，可以手動(dòng)調(diào)用，也可以掛接在上面提到的bottom half向量表中啟動(dòng)。以run_task_queue（）作為bh_base［nr］的函數(shù)指針，實(shí)際上就是擴(kuò)充了每個(gè)bottom half的函數(shù)句柄數(shù)，而對(duì)于系統(tǒng)預(yù)定義的tq_timer和tq_immediate的確是分別掛接在TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH上（注意，TIMER_BH沒有如此使用，但TQUEUE_BH也是在do_timer（）中啟動(dòng)的），從而可以用于擴(kuò)充bottom half的個(gè)數(shù)。此時(shí)，不需要手工調(diào)用run_task_queue（）（這原本就不合適），而只需調(diào)用mark_bh（IMMEDIATE_BH），讓bottom half機(jī)制在合適的時(shí)候調(diào)度它。
　　tasklet
　　由上看出，task queue以bottom half為基礎(chǔ)；而bottom half在v2.4.x中則以新引入的tasklet為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。
　　之所以引入tasklet，最主要的考慮是為了更好的支持SMP，提高SMP多個(gè)CPU的利用率：不同的tasklet可以同時(shí)運(yùn)行于不同的CPU上。在它的源碼注釋中還說明了幾點(diǎn)特性，歸結(jié)為一點(diǎn)，就是：同一個(gè)tasklet只會(huì)在一個(gè)CPU上運(yùn)行。
　　struct tasklet_struct
　　{
　　struct tasklet_struct *next; /* 隊(duì)列指針 */
　　unsigned long state; /* tasklet的狀態(tài)，按位操作，目前定義了兩個(gè)位的含義：
　　TASKLET_STATE_SCHED（第0位）或TASKLET_STATE_RUN（第1位） */
　　atomic_t count; /* 引用計(jì)數(shù)，通常用1表示disabled */
　　void （*func）（unsigned long）; /* 函數(shù)指針 */
　　unsigned long data; /* func（data） */
　　};
　　把上面的結(jié)構(gòu)與tq_struct比較，可以看出，tasklet擴(kuò)充了一點(diǎn)功能，主要是state屬性，用于CPU間的同步。
　　tasklet的使用相當(dāng)簡單：
　　定義一個(gè)處理函數(shù)void my_tasklet_func（unsigned long）;
　　DECLARE_TASKLET（my_tasklet，my_tasklet_func，data）; /* 定義一個(gè)tasklet結(jié)構(gòu)my_tasklet，與my_tasklet_func（data）函數(shù)相關(guān)聯(lián)，相當(dāng)于DECLARE_TASK_QUEUE（） */
　　tasklet_schedule（&my_tasklet）; /* 登記my_tasklet，允許系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行，相當(dāng)于queue_task（&my_task，&tq_immediate）和mark_bh（IMMEDIATE_BH） */
　　可見tasklet的使用比task queue更簡單，而且，tasklet還能更好的支持SMP結(jié)構(gòu)，因此，在新的2.4.x內(nèi)核中，tasklet是建議的異步任務(wù)執(zhí)行機(jī)制。除了以上提到的使用步驟外，tasklet機(jī)制還提供了另外一些調(diào)用接口：
　　DECLARE_TASKLET_DISABLED（name，function，data）; /* 和DECLARE_TASKLET（）類似，不過即使被調(diào)度到也不會(huì)馬上運(yùn)行，必須等到enable */
　　tasklet_enable（struct tasklet_struct *）; /* tasklet使能 */
　　tasklet_disble（struct tasklet_struct *）; /* 禁用tasklet，只要tasklet還沒運(yùn)行，則會(huì)推遲到它被enable */
　　tasklet_init（struct tasklet_struct *，void （*func）（unsigned long），unsigned long）; /* 類似DECLARE_TASKLET（） */
　　tasklet_kill（struct tasklet_struct *）; /* 清除指定tasklet的可調(diào)度位，即不允許調(diào)度該tasklet，但不做tasklet本身的清除 */
　　前面提到過，在2.4.x內(nèi)核中，bottom half是利用tasklet機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，它表現(xiàn)在所有的bottom half動(dòng)作都以一類tasklet的形式運(yùn)行，這類tasklet與我們一般使用的tasklet不同。
　　在2.4.x中，系統(tǒng)定義了兩個(gè)tasklet隊(duì)列的向量表，每個(gè)向量對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU（向量表大小為系統(tǒng)能支持的CPU最大個(gè)數(shù)，SMP方式下目前2.4.2為32）組織成一個(gè)tasklet鏈表：
　　struct tasklet_head tasklet_vec［NR_CPUS］ __cacheline_aligned;
　　struct tasklet_head tasklet_hi_vec［NR_CPUS］ __cacheline_aligned;
　　另外，對(duì)于32個(gè)bottom half，系統(tǒng)也定義了對(duì)應(yīng)的32個(gè)tasklet結(jié)構(gòu)：
　　struct tasklet_struct bh_task_vec［32］;
　　在軟中斷子系統(tǒng)初始化時(shí)，這組tasklet的動(dòng)作被初始化為bh_action（nr），而bh_action（nr）就會(huì)去調(diào)用bh_base［nr］的函數(shù)指針，從而與bottom half的語義掛鉤。mark_bh（nr）被實(shí)現(xiàn)為調(diào)用tasklet_hi_schedule（bh_tasklet_vec+nr），在這個(gè)函數(shù)中，bh_tasklet_vec［nr］將被掛接在tasklet_hi_vec［cpu］鏈上（其中cpu為當(dāng)前cpu編號(hào)，也就是說哪個(gè)cpu提出了bottom half的請(qǐng)求，則在哪個(gè)cpu上執(zhí)行該請(qǐng)求），然后激發(fā)HI_SOFTIRQ軟中斷信號(hào)，從而在HI_SOFTIRQ的中斷響應(yīng)中啟動(dòng)運(yùn)行。
　　tasklet_schedule（&my_tasklet）將把my_tasklet掛接到tasklet_vec［cpu］上，激發(fā)TASKLET_SOFTIRQ，在TASKLET_SOFTIRQ的中斷響應(yīng)中執(zhí)行。HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ是softirq子系統(tǒng)中的術(shù)語，下一節(jié)將對(duì)它做介紹。
　　softirq
　　從前面的討論可以看出，task queue基于bottom half，bottom half基于tasklet，而tasklet則基于softirq。
　　可以這么說，softirq沿用的是最早的bottom half思想，但在這個(gè)“bottom half”機(jī)制之上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更加龐大和復(fù)雜的軟中斷子系統(tǒng)。
　　struct softirq_action
　　{
　　void （*action）（struct softirq_action *）;
　　void *data;
　　};
　　static struct softirq_action softirq_vec［32］ __cacheline_aligned;
　　這個(gè)softirq_vec［］僅比bh_base［］增加了action（）函數(shù)的參數(shù)，在執(zhí)行上，softirq比bottom half的限制更少。
　　和bottom half類似，系統(tǒng)也預(yù)定義了幾個(gè)softirq_vec［］結(jié)構(gòu)的用途，通過以下枚舉表示：
　　enum
　　{
　　HI_SOFTIRQ=0，
　　NET_TX_SOFTIRQ，
　　NET_RX_SOFTIRQ，
　　TASKLET_SOFTIRQ
　　};
　　HI_SOFTIRQ被用于實(shí)現(xiàn)bottom half，TASKLET_SOFTIRQ用于公共的tasklet使用，NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ用于網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的報(bào)文收發(fā)。在軟中斷子系統(tǒng)初始化（softirq_init（））時(shí)，調(diào)用了open_softirq（）對(duì)HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ做了初始化：
　　void open_softirq（int nr， void （*action）（struct softirq_action*）， void *data）
　　open_softirq（）會(huì)填充softirq_vec［nr］，將action和data設(shè)為傳入的參數(shù)。TASKLET_SOFTIRQ填充為tasklet_action（NULL），HI_SOFTIRQ填充為tasklet_hi_action（NULL），在do_softirq（）函數(shù)中，這兩個(gè)函數(shù)會(huì)被調(diào)用，分別啟動(dòng)tasklet_vec［cpu］和tasklet_hi_vec［cpu］鏈上的tasklet運(yùn)行。
　　static inline void __cpu_raise_softirq（int cpu， int nr）
　　這個(gè)函數(shù)用來激活軟中斷，實(shí)際上就是第cpu號(hào)CPU的第nr號(hào)軟中斷的active位置1。在do_softirq（）中將判斷這個(gè)active位。tasklet_schedule（）和tasklet_hi_schedule（）都會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù)。
　　do_softirq（）有4個(gè)執(zhí)行時(shí)機(jī)，分別是：從系統(tǒng)調(diào)用中返回（arch/i386/kernel/entry.S：：ENTRY（ret_from_sys_call））、從異常中返回（arch/i386/kernel/entry.S：：ret_from_exception標(biāo)號(hào)）、調(diào)度程序中（kernel/sched.c：：schedule（）），以及處理完硬件中斷之后（kernel/irq.c：：do_IRQ（））。它將遍歷所有的softirq_vec，依次啟動(dòng)其中的action（）。需要注意的是，軟中斷服務(wù)程序，不允許在硬中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，也不允許在軟中斷服務(wù)程序中嵌套執(zhí)行，但允許多個(gè)軟中斷服務(wù)程序同時(shí)在多個(gè)CPU上并發(fā)。
　　使用示例
　　softirq作為一種底層機(jī)制，很少由內(nèi)核程序員直接使用，因此，這里的使用范例僅對(duì)其余幾種軟中斷機(jī)制。
　　1.bottom half
　　原有的bottom half用法在drivers/char/serial.c中還能看到，包括三個(gè)步驟：
　　init_bh（SERIAL_BH，do_serial_bh）; //在串口設(shè)備的初始化函數(shù)rs_init（）中，do_serial_bh（）是處理函數(shù)
　　mark_bh（SERIAL_BH）; //在rs_sched_event（）中，這個(gè)函數(shù)由中斷處理例程調(diào)用
　　remove_bh（SERIAL_BH）; //在串口設(shè)備的結(jié)束函數(shù)rs_fini（）中調(diào)用
　　盡管邏輯上還是這么三步，但在do_serial_bh（）函數(shù)中的動(dòng)作卻是啟動(dòng)一個(gè)task queue：run_task_queue（&tq_serial），而在rs_sched_event（）中，mark_bh（）之前調(diào)用的則是queue_task（。..，&tq_serial），也就是說串口bottom half已經(jīng)結(jié)合task queue使用了。而那些更通用一些的bottom half，比如IMMEDIATE_BH，更是必須要與task queue結(jié)合使用，而且一般情況下，task queue也很少獨(dú)立使用，而是與bottom half結(jié)合，這在下一節(jié)task queue使用示例中可以清楚地看到。
　　2.task queue
　　一般來說，程序員很少自己定義task queue，而是結(jié)合bottom half，直接使用系統(tǒng)預(yù)定義的tq_immediate等，尤以tq_immediate使用最頻繁?？匆韵麓a段，節(jié)選自drivers/block/floppy.c：
　　static struct tq_struct floppy_tq; //定義一個(gè)tq_struct結(jié)構(gòu)變量floppy_tq，不需要作其他初始化動(dòng)作
　　static void schedule_bh（ void （*handler）（void*） ）
　　{
　　floppy_tq.routine = （void *）（void *） handler;
　　//指定floppy_tq的調(diào)用函數(shù)為handler，不需要考慮floppy_tq中的其他域
　　queue_task（&floppy_tq， &tq_immediate）;
　　//將floppy_tq加入到tq_immediate中
　　mark_bh（IMMEDIATE_BH）;
　　//激活I(lǐng)MMEDIATE_BH，由上所述可知，
　　這實(shí)際上將引發(fā)一個(gè)軟中斷來執(zhí)行tq_immediate中掛接的各個(gè)函數(shù)
　　}
　　當(dāng)然，我們還是可以定義并使用自己的task queue，而不用tq_immediate，在drivers/char/serial.c中提到的tq_serial就是串口驅(qū)動(dòng)自己定義的：
　　static DECLARE_TASK_QUEUE（tq_serial）;
　　此時(shí)就需要自行調(diào)用run_task_queue（&tq_serial）來啟動(dòng)其中的函數(shù)了，因此并不常用。
　　3.tasklet
　　這是比task queue和bottom half更加強(qiáng)大的一套軟中斷機(jī)制，使用上也相對(duì)簡單，見下面代碼段：
　　1： void foo_tasklet_action（unsigned long t）;
　　2： unsigned long stop_tasklet;
　　3： DECLARE_TASKLET（foo_tasklet， foo_tasklet_action， 0）;
　　4： void foo_tasklet_action（unsigned long t）
　　5： {
　　6： //do something
　　7：
　　8： //reschedule
　　9： if（！stop_tasklet）
　　10： tasklet_schedule（&foo_tasklet）;
　　11： }
　　12： void foo_init（void）
　　13： {
　　14： stop_tasklet=0;
　　15： tasklet_schedule（&foo_tasklet）;
　　16： }
　　17： void foo_clean（void）
　　18： {
　　19： stop_tasklet=1;
　　20： tasklet_kill（&foo_tasklet）;
　　21： }
　　這個(gè)比較完整的代碼段利用一個(gè)反復(fù)執(zhí)行的tasklet來完成一定的工作，首先在第3行定義foo_tasklet，與相應(yīng)的動(dòng)作函數(shù)foo_tasklet_action相關(guān)聯(lián)，并指定foo_tasklet_action（）的參數(shù)為0。雖然此處以0為參數(shù)，但也同樣可以指定有意義的其他參數(shù)值，但需要注意的是，這個(gè)參數(shù)值在定義的時(shí)候必須是有固定值的變量或常數(shù)（如上例），也就是說可以定義一個(gè)全局變量，將其地址作為參數(shù)傳給foo_tasklet_action（），例如：
　　int flags;
　　DECLARE_TASKLET（foo_tasklet，foo_tasklet_action，&flags）;
　　void foo_tasklet_action（unsigned long t）
　　{
　　int flags=*（int *）t;
　　。..
　　}
　　這樣就可以通過改變flags的值將信息帶入tasklet中。直接在DECLARE_TASKLET處填寫flags，gcc會(huì)報(bào)“initializer element is not constant”錯(cuò)。
　　第9、10行是一種RESCHEDULE的技術(shù)。我們知道，一個(gè)tasklet執(zhí)行結(jié)束后，它就從執(zhí)行隊(duì)列里刪除了，要想重新讓它轉(zhuǎn)入運(yùn)行，必須重新調(diào)用tasklet_schedule（），調(diào)用的時(shí)機(jī)可以是某個(gè)事件發(fā)生的時(shí)候，也可以是像這樣在tasklet動(dòng)作中。而這種reschedule技術(shù)將導(dǎo)致tasklet永遠(yuǎn)運(yùn)行，因此在子系統(tǒng)退出時(shí)，應(yīng)該有辦法停止tasklet。stop_tasklet變量和tasklet_kill（）就是干這個(gè)的。
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