Linux中断子系统（四）之中断申请注册

Linux中断子系统（四）之中断申请注册

备注：
  1. Kernel版本：5.4
  2. 使用工具：Source Insight 4.0
  3. 参考博客：
Linux中断子系统（一）中断控制器及驱动分析
Linux中断子系统（二）-通用框架处理
吐血整理 | 肝翻Linux中断所有知识点
Linux kernel中断子系统之（五）：驱动申请中断API

前言

  中断的处理主要有以下几个功能模块：硬件中断号到Linux irq中断号的映射，并创建好irq_desc中断描述符；中断注册时，先获取设备的中断号，根据中断号找到对应的irq_desc，并将设备的中断处理函数添加到irq_desc中；设备触发中断信号时，根据硬件中断号得到Linux irq中断号，找到对应的irq_desc，最终调用到设备的中断处理函数；上述的描述比较简单，更详细的过程，往下看吧。

中断号的获取流程

  设备硬件中断号到Linux irq中断号的映射

• 硬件设备的中断信息都在设备树device tree中进行了描述，在系统启动过程中，这些信息都已经加载到内存中并得到了解析；
    
• 驱动中通常会使用platform_get_irq或irq_of_parse_and_map接口，去根据设备树的信息去创建映射关系（硬件中断号到linux irq中断号映射）；
    
• 在irq_create_fwspec_mapping接口中，会先去找到匹配的irq domain，再去回调该irq domain中的函数集，通常irq domain都是在中断控制器驱动中初始化的，以ARM GICv2为例，最终回调到gic_irq_domain_hierarchy_ops中的函数；
    
• 如果已经创建好了映射，那么可以直接进行返回linux irq中断号了，否则的话需要irq_domain_alloc_irqs来创建映射关系；

irq_domain_alloc_irqs完成两个工作：

• 针对linux irq中断号创建一个irq_desc中断描述符；
    
• 调用domain->ops->alloc函数来完成映射，在ARM GICv2驱动中对应gic_irq_domain_alloc函数，这个函数很关键，所以下文介绍一下；

  
gic_irq_domain_alloc函数如下：

• gic_irq_domain_translate：负责解析出设备树中描述的中断号和中断触发类型（边缘触发、电平触发等）；
    
• gic_irq_domain_map：将硬件中断号和linux中断号绑定到一个结构中，也就完成了映射，此外还绑定了irq_desc结构中的其他字段，最重要的是设置了irq_desc->handle_irq的函数指针，这个最终是中断响应时往上执行的入口，这个是关键，下文讲述中断处理过程时还会提到；
    
• 根据硬件中断号的范围设置irq_desc->handle_irq的指针，共享中断入口为handle_fasteoi_irq，私有中断入口为handle_percpu_devid_irq；

上述函数执行完成后，完成了两大工作：

1. 硬件中断号与Linux中断号完成映射，并为Linux中断号创建了irq_desc中断描述符；
2. 数据结构的绑定及初始化，关键的地方是设置了中断处理往上执行的入口；

中断标志位的含义

#define IRQF_SHARED                    0x00000080 //多个设备共享一个中断号，需要外设硬件支持 
#define IRQF_PROBE_SHARED       0x00000100 //中断处理程序允许sharing mismatch发生 
#define __IRQF_TIMER                    0x00000200 //时钟中断 
#define IRQF_PERCPU                     0x00000400 //属于特定CPU的中断 
#define IRQF_NOBALANCING         0x00000800 //禁止在CPU之间进行中断均衡处理 
#define IRQF_IRQPOLL                    0x00001000 //中断被用作轮训 
#define IRQF_ONESHOT                 0x00002000 //一次性触发的中断，不能嵌套，
                                                                             //1）在硬件中断处理完成后才能打开中断；
                                                                            //2）在中断线程化中保持关闭状态，直到该中断源上的所有thread_fn函数都执行完 
#define IRQF_NO_SUSPEND             0x00004000 //系统休眠唤醒操作中，不关闭该中断 
#define IRQF_FORCE_RESUME          0x00008000 //系统唤醒过程中必须强制打开该中断 
#define IRQF_NO_THREAD               0x00010000 //禁止中断线程化 
#define IRQF_EARLY_RESUME           0x00020000 //系统唤醒过程中在syscore阶段resume，而不用等到设备resume阶段 
#define IRQF_COND_SUSPEND        0x00040000 //与NO_SUSPEND的用户共享中断时，执行本设备的中断处理函数

#define IRQF_TIMER		(__IRQF_TIMER | IRQF_NO_SUSPEND | IRQF_NO_THREAD)

定义	描述
IRQF_SHARED	这是flag用来描述一个interrupt line是否允许在多个设备中共享。如果中断控制器可以支持足够多的interrupt source，那么在两个外设间共享一个interrupt request line是不推荐的，毕竟有一些额外的开销（发生中断的时候要逐个询问是不是你的中断，软件上就是遍历action list），因此外设的irq handler中最好是一开始就启动判断，看看是否是自己的中断，如果不是，返回IRQ_NONE,表示这个中断不归我管。 早期PC时代，使用8259中断控制器，级联的8259最多支持15个外部中断，但是PC外设那么多，因此需要irq share。现在，ARM平台上的系统设计很少会采用外设共享IRQ方式，毕竟一般ARM SOC提供的有中断功能的GPIO非常的多，足够用的。 当然，如果确实需要两个外设共享IRQ，那也只能如此设计了。对于HW，中断控制器的一个interrupt source的引脚要接到两个外设的interrupt request line上，怎么接？直接连接可以吗？当然不行，对于低电平触发的情况，我们可以考虑用与门连接中断控制器和外设。
IRQF_PERCPU	对于这种interrupt，不是processor之间共享的，而是特定属于一个CPU的。例如GIC中interrupt ID等于30的中断就是per cpu的（这个中断event被用于各个CPU的local timer），这个中断号虽然只有一个，但是，实际上控制该interrupt ID的寄存器有n组（如果系统中有n个processor），每个CPU看到的是不同的控制寄存器。在具体实现中，这些寄存器组有两种形态，一种是banked，所有CPU操作同样的寄存器地址，硬件系统会根据访问的cpu定向到不同的寄存器，另外一种是non banked，也就是说，对于该interrupt source，每个cpu都有自己独特的访问地址。
IRQF_NOBALANCING	这也是和multi-processor相关的一个flag。对于那些可以在多个CPU之间共享的中断，具体送达哪一个processor是有策略的，我们可以在多个CPU之间进行平衡。如果你不想让你的中断参与到irq balancing的过程中那么就设定这个flag
IRQF_ONESHOT	one shot本身的意思的只有一次的，结合到中断这个场景，则表示中断是一次性触发的，不能嵌套。对于primary handler，当然是不会嵌套，但是对于threaded interrupt handler，我们有两种选择，一种是mask该interrupt source，另外一种是unmask该interrupt source。一旦mask住该interrupt source，那么该interrupt source的中断在整个threaded interrupt handler处理过程中都是不会再次触发的，也就是one shot了。这种handler不需要考虑重入问题。具体是否要设定one shot的flag是和硬件系统有关的，我们举一个例子，比如电池驱动，电池里面有一个电量计，是使用HDQ协议进行通信的，电池驱动会注册一个threaded interrupt handler，在这个handler中，会通过HDQ协议和电量计进行通信。对于这个handler，通过HDQ进行通信是需要一个完整的HDQ交互过程，如果中间被打断，整个通信过程会出问题，因此，这个handler就必须是one shot的。
IRQF_NO_SUSPEND	这个flag比较好理解，就是说在系统suspend的时候，不用disable这个中断，如果disable，可能会导致系统不能正常的resume。
IRQF_FORCE_RESUME	在系统resume的过程中，强制必须进行enable的动作，即便是设定了IRQF_NO_SUSPEND这个flag。这是和特定的硬件行为相关的。
IRQF_NO_THREAD	有些low level的interrupt是不能线程化的（例如系统timer的中断），这个flag就是起这个作用的。另外，有些级联的interrupt controller对应的IRQ也是不能线程化的（例如secondary GIC对应的IRQ），它的线程化可能会影响一大批附属于该interrupt controller的外设的中断响应延迟。

中断的注册流程

  设备驱动中，获取到了irq中断号后，通常就会采用request_irq/request_threaded_irq来注册中断，其中request_irq用于注册普通处理的中断，request_threaded_irq用于注册线程化处理的中断；

• request_irq也是调用request_threaded_irq，只是在传参的时候，线程处理函数thread_fn函数设置成NULL；
    
• 由于在硬件中断号和Linux中断号完成映射后，irq_desc已经创建好，可以通过irq_to_desc接口去获取对应的irq_desc；
    
• 创建irqaction，并初始化该结构体中的各个字段，其中包括传入的中断处理函数赋值给对应的字段；
    
• __setup_irq用于完成中断的相关设置，包括中断线程化的处理：

  1. 中断线程化用于减少系统关中断的时间，增强系统的实时性；
  2. ARM64默认开启了CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING，引导参数传入threadirqs时，则除了IRQF_NO_THREAD外的中断，其他的都将强制线程化处理；
  3. 中断线程化会为每个中断都创建一个内核线程，如果中断进行共享，对应irqaction将连接成链表，每个irqaction都有thread_mask位图字段，当所有共享中断都处理完成后才能unmask中断，解除中断屏蔽；

---

request_threaded_irq函数分析：

int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
			 irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,
			 const char *devname, void *dev_id)
{
	struct irqaction *action;
	struct irq_desc *desc;
	int retval;

	if (irq == IRQ_NOTCONNECTED)
		return -ENOTCONN;

	/*
	 * Sanity-check: shared interrupts must pass in a real dev-ID,
	 * otherwise we'll have trouble later trying to figure out
	 * which interrupt is which (messes up the interrupt freeing
	 * logic etc).
	 *
	 * Also IRQF_COND_SUSPEND only makes sense for shared interrupts and
	 * it cannot be set along with IRQF_NO_SUSPEND.
	 */
	if (((irqflags & IRQF_SHARED) && !dev_id) ||//对于那些需要共享的中断，在request irq的时候需要给出dev id，否则会出错退出。
	    (!(irqflags & IRQF_SHARED) && (irqflags & IRQF_COND_SUSPEND)) ||
	    ((irqflags & IRQF_NO_SUSPEND) && (irqflags & IRQF_COND_SUSPEND)))
		return -EINVAL;

	desc = irq_to_desc(irq);//通过IRQ number获取对应的中断描述符
	if (!desc)
		return -EINVAL;

	//并非系统中所有的IRQ number都可以request，
	//有些中断描述符被标记为IRQ_NOREQUEST，
	//标识该IRQ number不能被其他的驱动request。
	if (!irq_settings_can_request(desc) ||
	    WARN_ON(irq_settings_is_per_cpu_devid(desc)))//判断一个中断描述符是否需要传递per cpu的device ID
		return -EINVAL;

		
//	handler threaded_handler			描述
//	NULL		NULL			函数出错，返回-EINVAL
//	设定			设定				正常流程。中断处理被合理的分配到primary handler和threaded handler中。
//	设定			NULL			中断处理都是在primary handler中完成
//								这种情况下，系统会帮忙设定一个
//	NULL		设定				default的primary handler：irq_default_primary_handler，
//								协助唤醒threaded handler线程
	if (!handler) {
		if (!thread_fn)
			return -EINVAL;
		handler = irq_default_primary_handler;
	}

	//初始化 irqaction
	action = kzalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_KERNEL);
	if (!action)
		return -ENOMEM;

	action->handler = handler;
	action->thread_fn = thread_fn;
	action->flags = irqflags;
	action->name = devname;
	action->dev_id = dev_id;

	retval = irq_chip_pm_get(&desc->irq_data);
	if (retval < 0) {
		kfree(action);
		return retval;
	}

	retval = __setup_irq(irq, desc, action);

	if (retval) {
		irq_chip_pm_put(&desc->irq_data);
		kfree(action->secondary);
		kfree(action);
	}

#ifdef CONFIG_DEBUG_SHIRQ_FIXME
	if (!retval && (irqflags & IRQF_SHARED)) {
		/*
		 * It's a shared IRQ -- the driver ought to be prepared for it
		 * to happen immediately, so let's make sure....
		 * We disable the irq to make sure that a 'real' IRQ doesn't
		 * run in parallel with our fake.
		 */
		unsigned long flags;

		disable_irq(irq);
		local_irq_save(flags);

		handler(irq, dev_id);

		local_irq_restore(flags);
		enable_irq(irq);
	}
#endif
	return retval;
}
EXPORT_SYMBOL(request_threaded_irq);

---

__setup_irq函数分析：