【Linux驱动编程】Linux中断上半部和下半部

前言
  cpu在执行程序时，如果有外部中断触发时，如定时器中断、串行总线中断等，cpu停止当前任务从而转去响应中断处理。对于中断函数的处理，原则是尽快处理完事务并退出中断，这一点也比较好理解，尽快处理中断并返回，保证正常任务的执行，并q且能否响应其他事务的中断，保证实时性和并发性。

  其实，在单片机逻辑编程中已经使用过Linux中断“上下部分”的思维，或者说，Linux中断“上下半部”设计者灵感即源自最初的裸机编程。例如，在单片机裸机编程中，需要通过串口（UART）进行数据通信，对于接收数据情况下，在采用中断方式接收时，我们一般会先将数据存放在一个缓存（buf）中，中断函数只负责将数据存入缓存，而在主函数中获取缓存数据并处理。在这个过程中，中断处理部分即将数据存入缓存的动作为“中断上半部”，当然还包括从寄存器获取数据，改变寄存器状态等。“中断下半部”则是获取缓存数据并处理。

RTOS中断处理
  从裸机编程上升到系统层面，单片机运行实时系统（RTOS）。RTOS一般以线程为调度任务，没有进程概念，但都会提供一套类似标准操作系统的 线程同步机制。此时，在设计中断程序时，可以更好实现“上半部”和“下半部”，特别是“下半部”。以RT-Thread为例，实现一个串口中断接收函数。上半部分负责将数据放入缓存，并通过信号量通知下半部分处理。下半部实现，可以创建一个处理线程，当获得上半部信号量时则调度线程进行处理数据，否则则挂起该线程，节约cpu资源。

Linux中断
  不同于裸机编程，操作系统是多个进程和多个线程执行，宏观上达到并行运行的状态，外设中断则会打断内核中任务调度和运行，及屏蔽其外设的中断响应，如果中断函数耗时过长则使得系统实时性和并发性降低。中断原则是尽可能处理少的事务，而一些设备中往往需要处理大量的耗时事务。为了提高系统的实时性和并发性，Linux内核将中断处理程序分为上半部（top half）和下半部（bottom half）。上半部分任务比较少，处理一些寄存器操作、时间敏感任务，以及“登记中断”通知内核及时处理下半部的任务。下半部分，则负责处理中断任务中的大部分工作，如一个总线通信系统中数据处理部分。

Linux中断上下部分区别：
1）上半部由外设中断触发，下半部由上半部触发。
2）上半部不会被其他中断打断，下半部是可以被打断的。
3）上半部分处理任务要快，主要任务、耗时任务放在下半部。

  一般来说，在中断上半部执行完毕，下半部即在内核的调度下被执行，当然如果有其他更高优先级需处理的任务，会先处理该任务再调度处理下半部，或者在系统空闲时间进行处理。

Linux中断设计
  对于Linux系统设备而言，一个完整的中断程序由上半部和下半部分共同构成，在编写设备驱动程序前，就需考虑好上半部和下半部的分配。很多时候上半部与下半部并没有严格的区分界限，主要由程序员根据实际设计，如某些外设中断可以没有下半部。关于上下半部的划分原则，就是主要事务、耗时事务划分在下半部处理。

关于中断上下部分的设计，可以参考以下原则：
1）与硬件相关的操作，如操作寄存器，必须放在上半部。
2）对时间敏感、要求实时性的任务放在上半部。
3）该任务不能被其他中断或者进程打断的放在上半部。
4）实时性要求不高的任务、耗时任务放在下半部。

Linux中断下半部实现
  Linux下半部实现，通过内核版本更新中实现下衍化，最原始的实现手段是BH（bottom half）后在2.5版本移除，在2.3版本引入软中断（softirq）和tasklet机制，在2.5版本引入工作队列（work queue在）。因此，目前使用方式是三种，软中断、tasklet机制、工作队列。