第10章 中断与时钟之中断与定时器

主要内容

Linux设备驱动编程中的中断与定时器处理。由于中断服务程序（ISR）的执行并不存在于进程上下文中，所以要求中断服务程序的时间要尽量短。Linux在中断处理中引入了顶半部和底半部分离的机制。内核对时钟的处理也采用中断方式，而内核软件定时器最终依赖于时钟中断。

1、中断和定时器的概念及处理流程。

2、Linux中断处理程序的架构，以及顶半部、底半部之间的关系。

3、Linux中断编程的方法，涉及申请和释放中断、使能和屏蔽中断以及中断底半部软中断、tasklet、工作队列机制和xxx_和threaded_irq。

4、多个设备共享同一个中断号时的中断处理过程。

5、Linux设备驱动编程中定时器的编程以及内核延时的方法。

10.1　中断与定时器

    中断指的是CPU在执行程序的过程中，出现了某些突发事件急待处理，CPU必须暂停当前程序的执行，转去处理突发事件，处理完毕后又返回原程序被中断的位置继续执行。

    根据中断的来源，中断可分为内部中断和外部中断，内部中断的中断源来自CPU内部（软件中断指令、溢出、除法错误等，例如，操作系统从用户态切换到内核态需借助CPU内部的软件中断），外部中断的中断源来自CPU外部，由外部设备提出请求。

    根据中断是否可以屏蔽，中断可分为可屏蔽中断与不可屏蔽中断，可屏蔽中断可以通过设置中断控制器寄存器等方法被屏蔽，屏蔽后，该中断不再得到响应，不可屏蔽中断不能被屏蔽。

    根据中断入口跳转方法的不同，中断可分为向量中断和非向量中断。采用向量中断的CPU通常为不同的中断分配不同的中断号，当检测到某中断号的中断到来后，就自动跳转到与该中断号对应的地址执行。不同中断号的中断有不同的入口地址。非向量中断的多个中断共享一个入口地址，进入该入口地址后，再通过软件判断中断标志来识别具体是哪个中断。

    向量中断由硬件提供中断服务程序入口地址，非向量中断由软件提供中断服务程序入口地址。

    一个典型的非向量中断服务程序如代码清单10.1所示，它先判断中断源，然后调用不同中断源的中断服务程序。

    代码清单10.1　非向量中断服务程序的典型结构

 irq_handler()
  {
            ...
            int int_src = read_int_status();  /* 读硬件的中断相关寄存器 */
            switch (int_src)  {               /* 判断中断源 */
              case DEV_A: // 根据不同的中断源调用不同的中断服务程序ISR
                    dev_a_handler();
                     break;
          case DEV_B:
                    dev_b_handler();
                    break;
             ...
          default:
           break;
          }
  ...

}

    定时器在硬件上也依赖中断来实现，图10.1所示为典型的嵌入式微处理器（MPU）内可编程间隔定时器（PIT）的工作原理，它接收一个时钟输入，当时钟脉冲到来时，将目前计数值增1并与预先设置的计数值（计数目标）比较，若相等，证明计数周期满，并产生定时器中断且复位目前计数值。

图10.1　PIT定时器的工作原理

在ARM多核处理器里最常用的中断控制器是GIC（Generic Interrupt Controller），如图10.2所示，它支持3种类型的中断。

图10.2　ARM多核处理器里的GIC

    SGI（Software Generated Interrupt）：软件产生的中断，可以用于多核的核之间通信，一个CPU可以通过写GIC（通用的中断控制器）的寄存器给另外一个CPU产生中断。

    PPI（Private Peripheral Interrupt）：某个CPU私有外设的中断，这类外设的中断只能发给绑定的那个CPU。

    SPI（Shared Peripheral Interrupt）：共享外设的中断，这类外设的中断可以路由到任何一个CPU。

    对于共享外设类型的中断，内核可以通过如下API设定中断触发的CPU核：

    <linux/interrupt.h>

/**
 * irq_set_affinity - Set the irq affinity of a given irq
 * @irq:        Interrupt to set affinity
 * @cpumask:    cpumask
 *
 * Fails if cpumask does not contain an online CPU
 */
static inline int
irq_set_affinity(unsigned int irq, const struct cpumask *cpumask)
{
        return __irq_set_affinity(irq, cpumask, false);
}

在ARM Linux默认情况下，中断都是在CPU0上产生的，例如，可以通过如下代码把中断irq设定到CPU i上去：

irq_set_affinity(irq, cpumask_of(i));