第7章中断处理程序

7.2 中断处理程序

在响应一个特定中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序或中断服务例程。产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序。例如，由一个函数专门处理来自系统时钟的中断，而另外一个函数专门处理由键盘产生的中断。一个设备的中断处理程序是它设备驱动程序的一部分——设备驱动程序是用于对设备进行管理的内核代码。

在Linux中，中断处理程序是普通的C函数。只不过这些函数必须按照特定的类型声明，以便内核能够以标准的方式传递处理程序的信息，在其他方面，它们与一般的函数没有差别。中断处理程序与其他内核函数的真正区别在于，中断处理程序是被内核调用来响应中断的，而它们运行于称之为中断上下文的特殊上下文中。需要指出的是，中断上下文偶尔也称为原子上下文，该上下文中的执行代码不可阻塞。

中断可能随时发生，因此中断处理程序随时可能执行。所以必须保证中断处理程序能够快速执行，才能保证尽可能快地恢复中断代码的执行。因此，尽管对硬件而言，操作系统能迅速对其中断进行服务非常重要；当然对系统的其他部分而言，让中断处理程序在尽可能短的时间内完成运行也同样重要。

最起码，中断处理程序要负责通知硬件设备中断已被接收，但是中断处理程序还要完成大量其他的工具。例如，可以考虑一下网络设备的中断处理程序面临的挑战。该处理程序除了要对硬件应答，还要把来自硬件的网络数据包拷贝到内存，对其进行处理后再交给合适的协议栈或应用程序。

7.3 上半部与下半部的对比

又想中断处理程序运行得快，又想中断处理程序完成的工作量多，这两个目的显然有所抵触。鉴于两个目的之间存在此消彼长的矛盾关系，一般把中断处理切为两个部分或两半。中断处理程序是上半部——接收到一个中断，它就立即开始执行，但只做有严格时限的工作，例如对接收的中断进行应答或复位硬件，这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成的。能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部去。在合适的时机，下半部会被开中断执行。Linux提供了实现下半部的各种机制。

考察一下上半部和下半部分割的例子，以网卡作为实例。当网卡接收来自网络的数据包时，需要通知内核数据包到了。网卡需要立即完成这件事，从而优化网络的吞吐量和传输周期，以避免超时。因此，网卡立即发出中断，有最新数据包了。内核通过执行网卡已注册的中断处理程序来做出应答。

中断开始执行，通知硬件，拷贝最新的网络数据包到内存，然后读取网卡更多的数据包。这些都是重要、紧迫而又与硬件相关的工作。内核通常需要快速的拷贝网络数据包到系统内存，因为网卡上接收网络数据包的缓存大小固定，而且相比系统内存也要小得多。所以上述拷贝动作一旦被延迟，必然造成缓存溢出——进入的网络包占满了网卡的缓存，后续的入包只能被丢弃。当网络数据包被拷贝到系统内存后，中断的任务算是完成了，这时它将控制权交还给系统被中断前原先运行的程序。处理和操作数据包的其他工作在随后的下半部中进行。

7.4 注册中断处理程序

中断处理程序是管理硬件的驱动程序的组成部分。每一设备都有相关的驱动程序，如果设备使用中断，那么相应的驱动程序就注册一个中断处理程序。

驱动程序可以通过request_irq()函数注册一个中断处理程序，声明在文件linux/interrupt.h中，并且激活给定的中断线，以处理中断：

int  request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
            const char *name, void *dev)

第一个参数irq表示要分配的中断号。对某些设备，如传统PC设备上的系统时钟或键盘，这个值通常是预先确定的。而对于大多数其他设备来说，这个值要么是可以通过探测获取，要么可以通过编程动态确定。

第二个参数handler是一个指针，指向处理这个中断的实际中断处理程序。只要操作系统一接收到中断，该函数就被调用。

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

注意handler函数的原型，它接受两个参数，并有一个类型为irqreturn_t 的返回值。

7.4.1 中断处理程序标志

第三个参数flags可以为0，也可能是下列一个或多个标志的位掩码。其定义在文件linux/interrupt.h。在这些标志中最重要的是：

IRQF_DISABLED——该标志被设置后，意味着内核在处理中断处理程序本身期间，要禁止所有的其他中断。如果不设置，中断处理程序可以与除本身外的其他任何中断同时运行。多数中断处理程序是不会去设置该位的，因为禁止所有中断是一种野蛮行为。这种用法留给希望快速执行的轻量级中断。这一标志是SA_INTERRUPT标志的当前表现形式，在过去的中断用以区分快速和慢速中断。

IRQF_TIMER——该标志是特别为系统定时器的中断处理而准备的。

IRQF_SHARED——此标志标明可以在多个中断处理程序之间共享中断线。在同一个给定线上注册的每个处理程序必须指定这个标志；否则，在每条线上只能有一个处理程序。

第四个参数name是与中断相关的设备的ASCII文本表示。例如，PC机上键盘中断对应的这个值为“keyboard”。这些名字会被/proc/irq和/proc/interrupts文件使用，以便与用户通信。

第五个参数dev用于共享中断线。当一个中断处理程序需要释放时，dev将提供唯一的标志信息，以便从共享中断线的诸多中断处理程序中删除指定的那一个。如果没有这个参数，那么内核不可能知道在给定的中断线上到底要删除哪一个处理程序。如果无须共享中断线，那么将该参数赋值为NULL就可以了，但是，如果中断线是被共享的，那么就必须传递唯一的信息。另外，内核每次调用中断处理程序时，都会把这个指针传递给它。实践中会通过它传递驱动程序的设备结构：这个指针是唯一的，而且有可能在中断处理程序内被用到。

request_irq()成功执行会返回0。如果返回非0值，表示有错误发生，在这种情况下，指定的中断处理程序不会被注册。最常见的错误是-EBUSY，它表示给定的中断线已经在使用。

注意：request_irq()函数可能会睡眠，因此，不能在中断上下文或其他不允许阻塞的代码中调用该函数。在睡眠不安全的上下文中调用request_irq()函数，是一种常见错误。造成这种错误的部分原因是为什么request_irq()会引起阻塞。在注册的过程中，内核需要在/proc/irq文件中创建一个与中断对应的项。函数proc_mkdir()就是用来创建这个新的procfs项的。proc_mkdir()通过调用函数proc_create()对这个新的procfs项进行设置，而proc_create()会调用函数kmalloc()来请求分配内存。备注：函数kmalloc()是可以睡眠的。

7.4.2 一个中断例子

在一个驱动程序中请求一个中断线，并在通过request_irq()注册中断处理程序：

request_irq()：

if(request_irq(irqn, my_interrupt,  IRQF_SHARED, "my_device", my_dev)){

        printk(KERN_ERR "my_device: cannot register IRQ %d\n", irqn);

        return -EIO;

}

在这个例子中，irqn是请求的中断号；my_interrupt是中断处理程序；通过标志设置中断号可以共享；设备命名为“my_device”；最后是传递my_dev变量给dev形参。如果请求失败，那么这段代码将打印出一个错误并返回。如果调用返回0，则说明中断处理程序已经成功注册。此后，处理程序就会在响应该中断时被调用。有一点很重要，初始化硬件和注册中断处理程序的顺序必须正确，以防止中断处理程序在设备初始化完成之前就开始执行。

7.4.3 释放中断处理程序

卸载驱动程序时，需要注销相应的中断处理程序，并释放中断号。上述动作需要调用：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev);

如果指定的中断号不是共享的，那么，该函数删除处理程序的同时将禁用这个中断号。如果中断号是共享的，则仅删除dev所对应的处理程序，而这个中断号本身只有在删除了最后一个处理程序时才会被禁用。可以看出为什么唯一的dev如此重要。对于共享的中断号，需要一个唯一的信息来区分其上面的多个处理程序，并让free_irq()仅仅删除指定的处理程序。不管在哪种情况下，如果dev非空，它都必须与需要删除的处理程序相匹配。必须从进程上下文中调用free_irq()。

中断处理函数的注册和注销。

static inline int __must_check request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
            const char *name, void *dev)
          {
                 return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);
          }
          void free_irq(unsigned int, void *);