高级OS(十五） - 中断机制以及中断上下部运行和内核代码分析
高级OS(十五） - 中断机制以及中断上下部运行和内核代码分析
- 一.题目
- 二.解答
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- 1.浅析linux中断top/bottom
- 2.中断处理程序
- 3.为什么中断上下文不能睡眠？
- 4.简介中断的理解
- 5.理解中断相关数据结构irq_chip
- 6.初始化Chip相关的IRQ
- 实验：
一.题目
根据书上的例子，以及视频55和5.6，编写带有中断上下部的中断模块。
针对中断的引入，响应，处理机制，模型，中断的上下部分，以及时钟中断，提出至少6个问题，把本章内容穿起来，并用相关代码的分析来佐证（也就是对这些问题的回答不落于概念），让你对中断有鲜活的认识，并能应用起来。
二.解答
1.浅析linux中断top/bottom
MCU里中断服务程序的设计最好是快速完成任务并退出，因为此刻系统处于被中断中。但是在 ISR 中又有一些必须完成的事情，比如：清中断标志，读/写数据，寄存器操作等。在 Linux 中，同样也是这个要求，希望尽快的完成 ISR。但事与愿违，有些 ISR 中任务繁重，会消耗很多时间，导致响应速度变差。Linux 中针对这种情况，将中断分为了两部分：
- 上半部（top half）：收到一个中断，立即执行，有严格的时间限制，只做一些必要的工作，比如：应答，复位等。这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成的。
- 底半部（bottom half）：能够被推迟到后面完成的任务会在底半部进行。在适合的时机，下半部会被开中断执行。
2.中断处理程序
//驱动程序可以使用接口：
request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
const char *name, void *dev)
像系统申请注册一个中断处理程序。
其中的参数：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| irq | 表示该中断的中断号，一般 CPU 的中断号都会事先定义好。 |
| handler | 中断发生后的ISR |
| flags | 中断标志(IRQF_DISABLED / IRQFSAMPLE_RANDOM / IRQF_TIMER / IRQF_SHARED) |
| name | 中断相关的设备 ASCII 文本，例如 “keyboard”，这些名字会在 /proc/irq 和 /proc/interrupts 文件使用 |
| dev | 中断相关的设备 ASCII 文本，例如 “keyboard”，这些名字会在 /proc/irq 和 /proc/interrupts 文件使用 |
中断标志flag含义：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| IRQF_DISABLED | 设置这个标志的话，意味着内核在处理这个 ISR 期间，要禁止其他中断（多数情况不使用这个） |
| IRQFSAMPLE_RANDOM | 表明这个设备产生的中断对内核熵池有贡献 |
| IRQF_TIMER | 为系统定时器准备的标志 |
| IRQF_SHARED | 表明多个中断处理程序之间共享中断线。同一个给定的线上注册每个处理程序，必须设置这个 |
调用 request _irq 成功执行返回 0。常见错误是 -EBUSY，表示给定的中断线已经在使用（或者没有指定 IRQF_SHARED）
注意：request_irq 函数可能引起睡眠，所以不允许在中断上下文或者不允许睡眠的代码中调用。
//释放中断：
const void *free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)
用于释放中断处理函数
3.为什么中断上下文不能睡眠？
1、 中断处理的时候,不应该发生进程切换，因为在中断context中，唯一能打断当前中断handler的只有更高优先级的中断，它不会被进程打断，如果在 中断context中休眠，则没有办法唤醒它，因为所有的wake_up_xxx都是针对某个进程而言的，而在中断context中，没有进程的概念，没 有一个task_struct（这点对于softirq和tasklet一样），因此真的休眠了，比如调用了会导致block的例程，内核几乎肯定会死。
2、schedule()在切换进程时，保存当前的进程上下文（CPU寄存器的值、进程的状态以及堆栈中的内容），以便以后恢复此进程运行。中断发生后，内核会先保存当前被中断的进程上下文（在调用中断处理程序后恢复）；
但在中断处理程序里，CPU寄存器的值肯定已经变化了吧（最重要的程序计数器PC、堆栈SP等），如果此时因为睡眠或阻塞操作调用了schedule()，则保存的进程上下文就不是当前的进程context了.所以不可以在中断处理程序中调用schedule()。
3、内核中schedule()函数本身在进来的时候判断是否处于中断上下文:
if(unlikely(in_interrupt()))
BUG();
因此，强行调用schedule()的结果就是内核BUG。
4、中断handler会使用被中断的进程内核堆栈，但不会对它有任何影响，因为handler使用完后会完全清除它使用的那部分堆栈，恢复被中断前的原貌。
5、处于中断context时候，内核是不可抢占的。因此，如果休眠，则内核一定挂起。
4.简介中断的理解
中断是指在CPU正常运行期间，由于内外部事件或由程序预先安排的事件引起的 CPU 暂时停止正在运行的程序，转而为该内部或外部事件或预先安排的事件服务的程序中去，服务完毕后再返回去继续运行被暂时中断的程序。Linux中通常分为外部中断（又叫硬件中断）和内部中断（又叫异常）。
软件对硬件进行配置后，软件期望等待硬件的某种状态（比如，收到了数据），这里有两种方式，一种是轮询（polling）： CPU 不断的去读硬件状态。另一种是当硬件完成某种事件后，给 CPU 一个中断，让 CPU 停下手上的事情，去处理这个中断。很显然，中断的交互方式提高了系统的吞吐。
当 CPU 收到一个中断 （IRQ）的时候，会去执行该中断对应的处理函数（ISR）。普通情况下，会有一个中断向量表，向量表中定义了 CPU 对应的每一个外设资源的中断处理程序的入口，当发生对应的中断的时候， CPU 直接跳转到这个入口执行程序。也就是中断上下文。（注意：中断上下文中，不可阻塞睡眠）。
5.理解中断相关数据结构irq_chip
Irq_chip是对应每个芯片的具体实现。irq_chip 是一串和芯片相关的函数指针，这里定义的非常的全面，基本上和 IRQ 相关的可能出现的操作都全部定义进去了，具体根据不同的芯片，需要在不同的芯片的地方去初始化这个结构，然后这个结构会嵌入到通用的 IRQ 处理软件中去使用，使得软件处理逻辑和芯片逻辑完全的分开。
struct irq_chip {
struct device *parent_device;
const char *name;
unsigned int (*irq_startup)(struct irq_data *data);
void (*irq_shutdown)(struct irq_data *data);
void (*irq_enable)(struct irq_data *data);
void (*irq_disable)(struct irq_data *data);
void (*irq_ack)(struct irq_data *data);
void (*irq_mask)(struct irq_data *data);
void (*irq_mask_ack)(struct irq_data *data);
void (*irq_unmask)(struct irq_data *data);
void (*irq_eoi)(struct irq_data *data);
int (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force);
int (*irq_retrigger)(struct irq_data *data);
int (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type);
int (*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);
void (*irq_bus_lock)(struct irq_data *data);
void (*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data);
void (*irq_cpu_online)(struct irq_data *data);
void (*irq_cpu_offline)(struct irq_data *data);
void (*irq_suspend)(struct irq_data *data);
void (*irq_resume)(struct irq_data *data);
void (*irq_pm_shutdown)(struct irq_data *data);
void (*irq_calc_mask)(struct irq_data *data);
void (*irq_print_chip)(struct irq_data *data, struct seq_file *p);
int (*irq_request_resources)(struct irq_data *data);
void (*irq_release_resources)(struct irq_data *data);
void (*irq_compose_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);
void (*irq_write_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);
int (*irq_get_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool *state);
int (*irq_set_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool state);
int (*irq_set_vcpu_affinity)(struct irq_data *data, void *vcpu_info);
void (*ipi_send_single)(struct irq_data *data, unsigned int cpu);
void (*ipi_send_mask)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest);
unsigned long flags;
};
6.初始化Chip相关的IRQ
在init_IRQ中，调用了machine_desc->init_irq()。
void __init init_IRQ(void)
{
int ret;
if (IS_ENABLED(CONFIG_OF) && !machine_desc->init_irq)
irqchip_init();
else
machine_desc->init_irq();
if (IS_ENABLED(CONFIG_OF) && IS_ENABLED(CONFIG_CACHE_L2X0) &&
(machine_desc->l2c_aux_mask || machine_desc->l2c_aux_val)) {
if (!outer_cache.write_sec)
outer_cache.write_sec = machine_desc->l2c_write_sec;
ret = l2x0_of_init(machine_desc->l2c_aux_val,
machine_desc->l2c_aux_mask);
if (ret && ret != -ENODEV)
pr_err("L2C: failed to init: %d\n", ret);
}
uniphier_cache_init();
}
machine_desc->init_irq() 完成对中断控制器的初始化，为每个irq_desc结构安装合适的流控handler，为每个irq_desc结构安装irq_chip指针，使他指向正确的中断控制器所对应的irq_chip结构的实例，同时，如果该平台中的中断线有多路复用（多个中断公用一个irq中断线）的情况，还应该初始化irq_desc中相应的字段和标志，以便实现中断控制器的级联。
实验：
