Linux内核设计与实现---中断和中断处理程序

Linux内核要对连接到计算机上的所有硬件设备进行管理，要与它们进行通信。但是，处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不是一个数量级的，硬件的响应很慢，内核应该在此期间处理其他事物，等到硬件真正完成了请求的操作之后，再回过头来对它进行处理。中断机制让硬件在需要的时候再向内核发出信号，内核来处理硬件的请求。

1 中断

中断使得硬件得以与处理器进行通信。硬件设备生成中断的时候并不考虑与处理器的时钟同步，换句话说，中断随时都可以产生，因此，内核随时可能因为新到来的中断而被打断。

从物理学的角度看，中断是一种电信号，由硬件设备生成，并直接送入中断控制器的输入引脚上，然后再由中断控制器向处理器发送相应的信号。处理器一经检测到此信号，便中断自己的当前工作转而处理中断。此后，处理器会通知操作系统已经产生中断，这样，操作系统就可以对这个中断进行适当的处理了。

不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个唯一的数字标识，这些中断值通常被称为中断请求（IRQ）线。特定的中断总是与特定的设备相关联，并且内核要知道这些消息。

异常

异常与中断不同，它在产生时必须考虑与处理器时钟同步。异常也常称为同步中断。在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令的时候，或者是在执行期间出现特殊情况（例如缺页），必须靠内核来处理的时候，处理器就会产生一个异常。

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（interrupt service routine,ISR)。产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序。中断处理程序通常不是和特定设备关联，而是和特定中断关联的，也就是说，如果一个设备可以产生多种不同的中断，那么该设备就可以对应多个中断处理程序，相应的，该设备的驱动程序也就需要准备多个这样的函数。

在Linux中，中断处理程序看起来就是普普通通的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程序的信息。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，而它们运行在我们称之为中断上下文的特殊上下文中。

上半部与下半部的对比

一般把中断处理切为两个部分，中断处理程序是上半部，接受到一个中断，它就立即开始执行，但只做有严格时限的工作，例如对接受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被推迟到下半部去。此后，在合适的时机，下半部就开中断执行，Linux提供了实现下半部的各种机制，下一篇文章会讨论，现在我们要记住上半部是中断处理程序，只做有严格时限的工作。

3 注册中断处理程序

中断处理程序是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。

驱动程序可以通过下面的函数注册并激活一个中断处理程序：

/* request_irq分配一个中断线 */
int request_irq(unsigned int irq,
				irqreturn_t (*handler)(int,void *,struct pt_regs *),
				unsigned long irqflags,
				const char * devname,
				void *dev_id)

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，这个值通常是预先定死的。而对于大多数其他设备，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handle是实际的中断处理程序。只要操作系统一接收到该中断，该函数就被调用。

第三个参数irqflags可以为0，也可能是下列一个或多个标志的位掩码：

• SA_INTERRUPT：此标志表明给定的中断处理程序是一个快速中断处理程序。在本地处理器上，快速中断处理程序在禁止所有中断的情况下运行。
• SA_SAMPLE_RANDOM：此标志表明这个设备产生的中断对内核熵池有贡献。内核熵池负责提供从各种随机事件导出的真正的随机数。
• SA_SHIRQ：此标志表明可以在多个中断处理程序之间共享中断线。

第四个参数devname是给中断相关的设备起的名字。这些名字会被/proc/irq和/proc/Interrupt文件使用，以便与用户通信。

第五个参数dev_id主要用于共享中断线。如果无需共享中断线，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，那么必须传递唯一的信息，用来区分用的是共享中断线上的那个中断处理程序。实践中往往会通过它传递驱动程序的设备结构。

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用该函数，至于request_irq()会睡眠，那是在注册的过程中，内核需要在/proc/irq文件创建一个中断对应的项，会调用kmalloc()来请求分配内存，函数kmalloc()是可以睡眠的。

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：

if(request_irq(irqn,my_interrupt,SA_SHIRQ,"my_device",dev))
{
	printk(KERN_ERR "my_device:connot register IRQ %d \n",irqn);
	return -RIO;
}

irqn是请求的中断线，my_interrupt是中断处理程序，中断线可以共享，设备名为"my_device"，而且我们通过dev_id传递dev结构体。

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，并释放中断线。可以调用void free_irq(unsigned int irq,void *dev_id)来释放中断线。
如果指定的中断线不是共享的，那么，该函数删除中断处理程序的同时将禁用这条中断线。如果中断线是共享的，则仅删除dev_id所对应的处理程序，而这条中断线本身只有在删除了最后一个程序程序时才会被禁用。

4 编写中断处理程序

以下是一个典型的中断处理程序声明：

static irqreturn_t intr_handler(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *regs);

它的类型与request_irq()参数中handler所要求的参数类型相匹配。第一个参数irq就是这个中断处理程序要响应的中断的中断线号。第二个参数dev_id是用一个通用指针，它与中断处理程序注册时传递给request_irq()的采纳数dev_id必须一致，可以用来区分共享同一个中断处理程序的多个设备，最后一个参数regs是一个指向结构的指针，该结构包含处理中断之前处理器的寄存器和状态。除了调试的时候，它们很少使用到。

中断处理程序的返回值是一个特殊类型：irqreturn_t。中断处理程序可能返回两个特殊的值，IRQ_NONE和IRQ_HANDLED。当中断处理程序检测到一个中断，但该中断对应的设备并不是在注册处理函数期间指定的产生源时，返回IRQ_NONE；当中断处理程序被正确调用，且确实是它所对应的设备产生的中断，返回IRQ_HANDLED。

重入和中断处理程序

Linux中的中断处理程序是无需重入的。当一个给定的中断处理程序在执行时，相应的中断线在所有处理器上都会被屏蔽掉，以防止在同一中断线上接受到另一个新的中断。

共享的中断处理程序

共享中断线的处理程序和非共享中断线的处理程序在注册和运行方式上比较相似，但主要有以下差异：

• request_irq()的flags参数必须设置SA_SHIRQ标志
• 对每个注册的中断处理程序来说，dev_id必须是唯一的。指向任意设备结构的指针就可以满足这一要求，通常会选择设备结构，因为它是唯一的，而且中断处理程序可能会用到它。不能共享就传NULL
• 中断处理程序必须能区分它的设备是否真的产生了中断，

中断处理程序实例

让我们考察一个实际的中断处理程序，它来自RTC（real_time clock）驱动程序，可以在drivers/char/rtc.c中找到。RTC驱动程序装载时，rtc_init()函数会被调用，对这个驱动程序进行初始化。它的职责之一就是注册中断处理程序：

/*
	 * XXX Interrupt pin #7 in Espresso is shared between RTC and
	 * PCI Slot 2 INTA# (and some INTx# in Slot 1). SA_INTERRUPT here
	 * is asking for trouble with add-on boards. Change to SA_SHIRQ.
	 */
	if (request_irq(rtc_irq, rtc_interrupt, SA_INTERRUPT, "rtc", (void *)&rtc_port)) {
		/*
		 * Standard way for sparc to print irq's is to use
		 * __irq_itoa(). I think for EBus it's ok to use %d.
		 */
		printk(KERN_ERR "rtc: cannot register IRQ %d\n", rtc_irq);
		return -EIO;
	}

中断线号由rtc_irq指定，rtc_interrupt是我们的中断处理程序，驱动程序的名称为rtc，因为这个设备不允许共享中断线，且处理程序没有用到什么特殊的值，因此给dev_id的值是NULL。

5 中断上下文

当执行一个中断处理程序或下半部时，内核处于中断上下文中。进程上下文是一种内核所处的操作模式，此时内核代表进程执行，在进程上下文中，可以通过current宏关联到当前进程，此外，因为进程是以进程上下文的形式连接到内核的，因此，在进程上下文可以睡眠，也可以调用调度程序。

中断上下文和进程并没什么瓜葛。因为没有进程的背景，所有中断上下文不可睡眠。

中断处理程序栈的设置是一个配置选项。它们共享所属中断进程的内核栈。内核栈的大小是两页。因为这种设置，中断处理程序共享别人的堆栈，所以它们从栈中获取内容非常节省空间。

6 中断处理机制的实现

中断处理在linux中的实现非常依赖体系结构，实现依赖于处理器、所使用的中断控制器的类型、体系结构的设计以及机器本身。
下图是中断从硬件到内核的步骤。

设备产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器。如果中断线是激活的，那么中断控制器就会把中断发往处理器。在大多数体系结构中，这个工作就是通过电信号给处理器的特定管脚发送一个信号。除非在处理器禁止该中断，否则，处理器会立即停止它正在做的事，关闭中断系统，然后跳到中断处理程序的入口点去运行。

对于每条中断线，处理器都会跳到对应的唯一的位置。这样，内核就可知道所接收中断的IRQ号了。入口点只是在栈中保存这个号，并存当前寄存器的值；然后，内核调用函数do_IRQ()。

do_IRQ()的声明如下：

unsigned int do_IRQ(struct pt_regs regs);

因为C的调用惯例是要把函数参数放在栈的顶部，因此pt_regs结构包含原始寄存器的值，这些值是以前在汇编入口例程中保存在栈的的，中断的值也会得到保存，所以，do_IRQ()可以将它提取出来。

计算出中断号后，do_IRQ()对所接收的中断进行应答，禁止这条线上的中断传递。do_IRQ()需要确保在这条中断线上有一个有效的处理程序，而且这个程序已经启动但是当前没有执行。如果是这样的话，do_IRQ()就调用handle_IRQ_event()来运行为这条中断线所安装的中断处理程序，在kernel/irq/handle.c文件中

/*
 * Have got an event to handle:
 */
fastcall int handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct pt_regs *regs,
				struct irqaction *action)
{
	int ret, retval = 0, status = 0;

	if (!(action->flags & SA_INTERRUPT))
		local_irq_enable();

	do {
		ret = action->handler(irq, action->dev_id, regs);
		if (ret == IRQ_HANDLED)
			status |= action->flags;
		retval |= ret;
		action = action->next;
	} while (action);

	if (status & SA_SAMPLE_RANDOM)
		add_interrupt_randomness(irq);
	local_irq_disable();

	return retval;
}

7 中断控制

Linux内核提供了一组接口用于操作机器上的中断状态。这些接口为我们提供了禁止当前处理器的中断系统，或屏蔽掉整个机器的一条中断线的能力，这些接口是与体系有关的，可以在和中找到。

禁止和激活中断

用于禁止当前处理器（仅仅是当前处理器）上的本地中断，随后又激活它们的语句是：

local_irq_disable();
local_irq_enable();

这两个函数通常以单个汇编指令来实现（取决于体系结构）。实际上，在x86中，local_irq_disable()仅仅是cli指令，而local_irq_enable()只不过是sti指令。

local_irq_disable是禁止当前处理器上的所有中断，local_irq_enable是开启当前处理器上的所有中断，即使在禁止前有些中断是关闭的，在调用local_irq_enable()后也会被激活。所以我们需要一种机制把中断恢复到以前的状态而不是简单地禁止或激活。在禁止之前保存当前的中断系统，激活时恢复就行。

unsigned long flags;
lcoal_irq_save(flags)
local_irq_restore(flags);

flags必须是unsigned long类型。local_irq_save () 是保存本地中断传递的当前状态，然后禁止本地中断传递。local_irq_restore () 是恢复本地中断到flags的状态。

禁止指定中断线

在某些情况下，只禁止整个系统中一条特定的中断线就够了。为此，Linux提供了四个接口：

void disable_irq(unsigned int irq);
void disable_irq_nosync(unsigned int irq);
void enable_irq(unsigned int irq);
void synchronize_irq(unsigned int irq);

disable_irq和disable_irq_nosync禁止中断控制器上指定的中断线，即禁止给定中断向系统中所有处理器的传递。我们来看看disable_irq的具体实现：

/**
 *	disable_irq - disable an irq and wait for completion
 *	@irq: Interrupt to disable
 *
 *	Disable the selected interrupt line.  Enables and disables
 *	are nested.  This functions waits for any pending IRQ
 *	handlers for this interrupt to complete before returning.
 *	If you use this function while holding a resource the IRQ
 *	handler may need you will deadlock.
 *
 *	This function may be called - with care - from IRQ context.
 */
void disable_irq(unsigned int irq)
{
	struct irqdesc *desc = irq_desc + irq;

	disable_irq_nosync(irq);
	if (desc->action)
		synchronize_irq(irq);
}

此函数在返回之前等待中断irq的任何挂起的 中断处理程序完成。disable_irq会阻塞，所以不能在在中断处理函数中使用，如果在中断处理程序中使用，会导致死锁，电脑会死机。

disable_irq_nosync不会阻塞，会立即返回，可在中断处理函数中使用。

enable_irq函数的参数是int型变量，代表操作中断对应的中断号

函数synchronize_irq等待一个特定的中断处理程序的退出，所以该函数也会阻塞。

这些函数的调用都可以嵌套，但要记住在一条指定的中断线上，对disable_irq()或disable_irq_nosync()的每次调用，都需要相应地调用一次enable_irq()。只有在对enable_irq()完成最后一次调用后，才真正重新激活了中断线。例如，如果disable_irq()被调用了两次，那么直达第二次调用enable_irq()后，才能真正地激活中断线。

禁止多个中断处理程序共享的中断线是不合适的。禁止中断线也就禁止了这条线上所有设备的中断传递。因此，用于新设备的驱动程序应该尽量不使用这些接口。

中断系统的状态

宏irqs_disable()定义在中，如果本地处理器上的中断系统被禁止，则它返回非0，否则返回0.
在中定义了的两个宏提供了一个用来检查内核的当前上下文的接口，它们是：

in_interrupt();
in_irq();

in_interrupt用来检测内核是否处于中断上下文中，如果是的话，返回非0。说明此刻内核正在执行中断处理程序，或者正在执行下半段处理程序，如果返回0，此时内核处于进程上下文中。宏in_irq只有在内核确实正在执行中断处理程序时才返回非0.

8 总结

中断就是由硬件打断操作系统。内核提供的接口包括注册和注销中断处理程序，禁止中断，屏蔽中断线，以及检查中断系统的状态。
因为中断打断了其他代码的执行（进程，内核本身，甚至其他中断处理程序），它们必须赶快执行完。为了大量的工作与必须快速执行完之间求得平衡，内核把处理中断的工作分为两部分。中断处理程序，也就是上半部，下半部我们还没有讨论。