Linux 系统中异常与中断
文章目录
- 异常与中断的关系
- 中断的处理流程
- 异常向量表
- Linux 系统对中断的处理
-
- ARM 处理器程序运行的过程
- 程序被中断时，怎么保存现场
- Linux 系统对中断处理的演进
-
- Linux 对中断的扩展：硬件中断、软件中断
-
- 硬件中断
- 软件中断
- 中断处理原则：
- 耗时中断的拆分：上半部分和下半部分
-
- 中断下半部分的实现：tasklet
- 中断下半部分的实现：工作队列
- 耗时中断的新技术：threaded irq（线程化的中断）
- Linux 中断系统中的重要数据结构
-
- 概述
- irq_desc数组
- irqaction结构体
- irq_domain结构体
- irq_data结构体
- irq_chip结构体
- 在设备树中指定中断、在驱动中获得中断
-
- 设备树里中断节点的语法
-
- 设备树里的中断控制器
- 设备树里使用中断
- 设备树里中断节点的示例
- 在代码中获得中断
-
- 对于 platform_device
- 对于 I2C 设备、SPI 设备
- 调用 of_irq_get 获得中断号
- 对于 GPIO
异常与中断的关系
异常有：
- ①指令未定义
- ② 指令、数据访问有问题
- ③ SWI(软中断)
- ④ 快中断
- ⑤ 中断
中断也属于一种“异常”，导致中断发生的情况有很多，比如：
- 按键
- 定时器
- ADC 转换完成
- UART 发送完数据、收到数据
众多的“中断源”，汇集到“中断控制器”，由“中断控制器”选择优先级最高的中断并通知 CPU，中断控制器也可以屏蔽中断信号。
中断的处理流程
arm 对异常(中断)处理过程：
- ① 初始化：
- a) 设置中断源，让它可以产生中断
- b) 设置中断控制器(可以屏蔽某个中断，优先级)
- c) 设置 CPU 总开关(使能中断)
- ② 执行其他程序：正常程序
- ③ 产生中断：比如按下按键—>中断控制器—>CPU
- ④ CPU 每执行完一条指令都会检查有无中断/异常产生
- ⑤ CPU 发现有中断/异常产生，开始处理。
- 对于不同的异常，跳去不同的地址执行程序。这地址上，只是一条跳转指令，跳去执行某个函数(地址)，这个就是异常向量。③④⑤都是硬件做的。
- ⑥ 这些函数做什么事情？软件做的:
- a) 保存现场(各种寄存器)
- b) 处理异常(中断):分辨中断源，再调用不同的处理函数
- c) 恢复现场
异常向量表
u-boot 或是 Linux 内核，都有类似如下的代码：
_start: b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq // 发生中断时，CPU 跳到这个地址执行该指令 ** 假设地址为 0x18**
ldr pc, _fiq
这就是异常向量表，每一条指令对应一种异常。
- 发生复位时，CPU 就去 执行第 1 条指令：b reset。
- 发生中断时，CPU 就去执行“ldr pc, _irq”这条指令。
- 这些指令存放的位置是固定的，比如对于 ARM9 芯片中断向量的地址是0x18。当发生中断时，CPU 就强制跳去执行 0x18 处的代码。
在向量表里，一般都是放置一条跳转指令，发生该异常时，CPU 就会执行向量表中的跳转指令，去调用更复杂的函数。当然，向量表的位置并不总是从 0 地址开始，很多芯片可以设置某个vector base 寄存器，指定向量表在其他位置，比如设置 vector base 为0x80000000，指定为 DDR 的某个地址。但是表中的各个异常向量的偏移地址，是固定的：复位向量偏移地址是 0，中断是 0x18。
Linux 系统对中断的处理
ARM 处理器程序运行的过程
ARM 芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction SetComputing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：
- ① 对内存只有读、写指令
- ② 对于数据的运算是在 CPU 内部实现
- ③ 使用 RISC 指令的 CPU 复杂度小一点，易于设计
比如对于 a=a+b 这样的算式，需要经过下面 4 个步骤才可以实现，CPU 运行时，先去取得指令，再执行指令：
- ① 把内存 a 的值读入 CPU 寄存器 R0
- ② 把内存 b 的值读入 CPU 寄存器 R1
- ③ 把 R0、R1 累加，存入 R0
- ④ 把 R0 的值写入内存 a
程序被中断时，怎么保存现场
如果要暂停一个程序，中断一个程序，就需要把这些寄存器的值保存下来：这就称为保存现场。
寄存器保存在内存中，这块内存就称之为栈。程序要继续执行，就先从栈中恢复那些 CPU 内部寄存器的值。如图所示：概括程序 A、B 的切换过程
这个场景并不局限于A、B 的切换过程，也可以中断，函数调用等
① 函数调用：
- a) 在函数 A 里调用函数 B，实际就是中断函数 A 的执行。
- b) 那么需要把函数 A 调用 B 之前瞬间的 CPU 寄存器的值，保存到栈里；
- c) 再去执行函数 B；
- d) 函数 B 返回之后，就从栈中恢复函数 A 对应的 CPU 寄存器值，继续执行。
② 中断处理
- a) 进程 A 正在执行，这时候发生了中断。
- b)
CPU 强制跳到中断异常向量地址去执行， - c) 这时就需要保存进程 A 被中断瞬间的 CPU 寄存器值，
- d)
可以保存在进程 A 的内核态栈，也可以保存在进程 A 的内核结构体中。 - e) 中断处理完毕，要继续运行进程 A 之前，恢复这些值。
③ 进程切换
- a) 在所谓的多任务操作系统中，我们以为多个程序是同时运行的。
- b) 如果我们能感知微秒、纳秒级的事件，可以发现操作系统时让这些程序依次执行一小段时间，进程 A 的时间用完了，就切换到进程 B。
- c) 怎么切换？
- d) 切换过程是发生在内核态里的，跟中断的处理类似。
- e) 进程 A 的被切换瞬间的 CPU 寄存器值保存在某个地方；
- f) 恢复进程 B 之前保存的 CPU 寄存器值，这样就可以运行进程 B 了。
进程的调度也是使用栈来保存、恢复现场；在linux中，线程才是调度的最小单位，这些线程共用打开的文件句柄、全局变量等等。而这些线程，之间是互相独立的，“同时运行”，也就是说：每一个线程，都有自己的栈，那么在同一个进程里面，所有的线程共享代码段和数据段，同时，他们还有各自的栈内存，保存CPU寄存器里面的值
Linux 系统对中断处理的演进
Linux 对中断的扩展：硬件中断、软件中断
硬件中断
对于按键中断等硬件产生的中断，称之为“硬件中断”(hard irq)。每个硬件中断都有对应的处理函数
可以认为对硬件中断的处理是用数组来实现的，数组里存放的是函数指针：
当硬件触发中断，系统会根据中断号调用中断处理函数
软件中断
相对的，可以人为地制造中断：软件中断(soft irq)
如何触发软中断？——由软件决定，对于 X 号软件中断，只需要把它的 flag 设置为 1 就表示发生了该中断
软件中断何时处理？——Linux 系统中，各种硬件中断频繁发生，例如定时器中断每 10ms 发生一次，那将软件中断设计在处理完硬件中断后，再去处理软件中断
有哪些软件中断？——查内核源码 include/linux/interrupt.h
enum
{
HI_SOFTIRQ=0,
TIMER_SOFTIRQ,
NET_TX_SOFTIRQ,
NET_RX_SOFTIRQ,
BLOCK_SOFTIRQ,
TASKLET_SOFTIRQ
SCHED_SOFTIRQ,
#ifdef CONFIG_HIGH_RES_TIMERS
HRTIMER_SOFTIRQ,
#endif
};
怎么触发软件中断？——最核心的函数是 raise_softirq，简单地理解就是设置 softirq_veq[nr]的标记位：
extern void raise_softirq(unsigned int nr) //用于引发一个软中断（类似普通中断）
怎么设置软件中断的处理函数：
extern void open_softirq(int nr, void (*action) (struct soft_action*));
中断处理原则：
-
Linux系统中，中断不能嵌套，否则会导致栈不够用
-
中断处理要越快越好，即在注册中断 handler 函数中指定中断处理函数，代码尽可能高效
在 Linux 系统中使用中断是挺简单的，为某个中断 irq 注册中断处理函数handler，可以使用 request_irq 函数：
如果中断要做的事情就是很多，没办法加快，则需要将耗时的事情拆分
耗时中断的拆分：上半部分和下半部分
当一个中断要耗费很多时间来处理时，它的坏处是：在这段时间内，其他中断无法被处理。换句话说，在这段时间内，系统是关中断的
耗时的中断：中断分为上半部分/下半部分；在 handler 函数里只做紧急的事，然后就重新开中断，让系统得以正常运行；那些不紧急的事，以后再处理，处理时是开中断的。
中断下半部的实现有很多种方法，主要讲2种：
- tasklet(小任务)
- work queue(工作队列)。
中断下半部分的实现：tasklet
当下半部比较耗时但是能忍受，并且它的处理比较简单时，可以用tasklet 来处理下半部。tasklet 是使用软件中断来实现。
使用流程图简化一下：
- 中断下半部执行时，有可能会被多次打断，有可能会再次发生同一个中断
- 中断下半部执行时再次发生同一个中断：则同一个中断的上半部、下半部，在执行时是多对一的关系。
- 中断下半部执行时如果被多次打断：如果在A中断的下半部出现中断，则会执行B中断的上半部分，然后再进行preemot_count判断时，直接进入完成处理；之后是恢复整个软件中断的处理：包含A中断和B中断的下半部分。【软件中断时定时处理的】
中断下半部分属于软件中断的一种，在枚举类型里面对应TASKLET_SOFTIRQ
中断下半部分的实现：工作队列
在中断下半部的执行过程中，虽然是开中断的，期间可以处理各类中断。但是毕竟整个中断的处理还没走完，这期间 APP 是无法执行的。在中断上半部唤醒内核线程。内核线程和APP 都一样竞争执行，APP 有机会执行，系统不会卡顿。
这个内核线程是系统帮我们创建的，一般是 kworker 线程，内核中有很多这样的线程：
kworker 线程要去“工作队列”(work queue)上取出一个一个“工作”(work 结构体)，来执行它里面的函数。
使用：
①创建 work：
你得先写出一个函数，然后用这个函数填充一个 work 结构体。比如：
static DECLARE_WORK(aer_recover_work,aer_recover_work_fun);
//第一参数是work结构体
② 要执行这个函数时，把 work 提交给 work queue 就可以了：
schedule_work(&aer_recover_work);
上述函数会把 work 提供给系统默认的 work queue：system_wq，它是一个队列。
在中断上半部调用 schedule_work 函数，触发 work 的处理
③ 谁来执行 work 中的函数？
schedule_work 函数不仅仅是把 work 放入队列，还会把kworker 线程唤醒。此线程抢到时间运行时，它就会从队列中取出 work，执行里面的函数。
④ 谁把 work 提交给 work queue？
在中断场景中，可以在中断上半部调用 schedule_work 函数。
工作队列只是创建一个线程，对于多核CPU来说，可以处理多个线程，所以将中断下部分实现的技术换为threaded irq，这样每个中断下半部分为一个线程，在任意一个CPU中都可以执行
耗时中断的新技术：threaded irq（线程化的中断）
你可以只提供 thread_fn，系统会为这个函数创建一个内核线程。发生中断时，内核线程就会执行这个函数。
以前用 work 来线程化地处理中断，一个 worker 线程只能由一个 CPU 执行，多个中断的 work 都由同一个 worker线程来处理，在单 CPU 系统中也只能忍着了。但是在 SMP 系统中，明明有那么多 CPU 空着，你偏偏让多个中断挤在这个CPU 上？新技术threaded irq，为每一个中断都创建一个内核线程；多个中断的内核线程可以分配到多个 CPU 上执行，这提高了效率。
Linux 中断系统中的重要数据结构
概述
本节内容，可以从request_irq函数(头文件：include/linux/interrupt.h)一路分析得到。
注意：如果内核配置了CONFIG_SPARSE_IRQ，那么它就会用基数树(radixtree)来代替irq_desc数组。SPARSE的意思是“稀疏”，假设大小为1000的数组中只用到2个数组项，那不是浪费嘛？所以在中断比较“稀疏”的情况下可以用基数树来代替数组。
irq_desc数组
irq_desc结构体在include/linux/irqdesc.h中定义，主要内容如下图：
每一个irq_desc数组项中都有一个函数：handle_irq，还有一个action链表。要理解它们，需要先看中断结构图：硬件中断的信号从左到右，函数的处理从右到左（函数主要是读取寄存器确定中断的来源）。由图可知共享中断会出现两个中断号：A号中断和B号中断
在Linux内核中对于每一个硬件中断，都有一个数组成员项，所以下图有GIC结构体和GPIO结构体，每个结构体都有：handle_irq，还有一个action链表。
首先GIC中断CPU时，CPU读取GIC状态得到中断A。
① GIC的处理函数：
- irq_desc[A].handle_irq是XXX_gpio_irq_handler(XXX指厂家)，假设A号中断对应的是GPIO中断，这个函数需要读取芯片的GPIO控制器，细分发生的是哪一个GPIO中断(假设是B)，
再去调用irq_desc[B]. handle_irq。
② 模块的中断处理函数：
- 导致GPIO中断B发生的原因很多，可能是外部设备1，可能是外部设备n，可能只是某一个设备，也可能是多个设备。所以irq_desc[B].handle_irq会依次调用某个链表（action链表）里的函数【BSP开发人员会设置对应的处理函数，一般是handle_level_irq或handle_edge_irq，从名字上看是用来处理电平触发的中断、边沿触发的中断】，这些函数由外部设备提供。这些函数自行判断该中断是否自己产生，若是则处理。
③ 外部设备提供的处理函数：
- 这里说的“外部设备”可能是芯片，也可能总是简单的按键。它们的处理函数由自己驱动程序提供，这是最熟悉这个设备的“人”：它知道如何判断设备是否发生了中断，如何处理中断。
irqaction结构体
irqaction结构体在include/linux/interrupt.h中定义，主要内容如下图：
当调用request_irq、request_threaded_irq注册中断处理函数时，内核就会构造一个irqaction结构体。在里面保存name、dev_id等，最重要的是handler、thread_fn、thread。
- handler是中断处理的上半部函数，用来处理紧急的事情。
- thread_fn对应一个内核线程thread，当handler执行完毕，Linux内核会唤醒对应的内核线程。在内核线程里，会调用thread_fn函数。
可以提供handler而不提供thread_fn，就退化为一般的request_irq函数。
可以不提供handler只提供thread_fn，完全由内核线程来处理中断。
也可以既提供handler也提供thread_fn，这就是中断上半部、下半部。
在调用reqeust_irq函数时可以传入dev_id作用有2个：
- ① 中断处理函数执行时，可以使用dev_id
- ② 卸载中断时要传入dev_id，这样才能在action链表中根据dev_id找到对应项所以在共享中断中必须提供dev_id，非共享中断可以不提供。
irq_domain结构体
irq_domain结构体在include/linux/irqdomain.h中定义，主要内容如下图：
在设备树中有这样的属性：
interrupt-parent = <&gpio1>;
interrupts = <5 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
它表示要使用gpio1里的第5号中断，hwirq就是5。
但是我们在驱动中会使用request_irq(irq, handler)这样的函数来注册中断，irq是软件中断号，它应该从“gpio1的第5号中断”转换得来。
谁把hwirq转换为irq？由gpio1的相关数据结构，就是gpio1对应的irq_domain结构体。即每个一GPIO都有自己的irq_domain结构体
irq_domain结构体中有一个irq_domain_ops结构体，里面有各种操作函数，主要是：
- ① xlate：用来解析设备树的中断属性，提取出hwirq、type等信息。
- ② map：把hwirq转换为irq。即转为为虚拟中断号【软件中断号会保存在platform_diverce】
map函数会完成映射关系，会保存在unsigned int linear_revmap[];数组里面
例如：读取GPIO寄存器得到hwirq，根据hwirq得到之前映射的irq（软件中断号B）
irq_data结构体
irq_data结构体在include/linux/irq.h中定义，主要内容如下图：
它就是个中转站，里面有irq_chip指针 irq_domain指针，都是指向别的结构体。
irq是软件中断号，hwirq是硬件中断号。比如上面我们举的例子，在GPIO中断B是软件中断号，可以找到irq_desc[B]这个数组项；GPIO里的第x号中断，这就是hwirq。
谁来建立irq、hwirq之间的联系呢？由irq_domain来建立。irq_domain会把本地的hwirq映射为全局的irq，什么意思？比如GPIO控制器里有第1号中断，UART模块里也有第1号中断，这两个“第1号中断”是不一样的，它们属于不同的“域”──irq_domain。
irq_chip结构体
irq_chip结构体在include/linux/irq.h中定义，主要内容如下图：
这个结构体跟“chip”即芯片相关，里面各成员的作用在头文件中也列得很清楚，摘录部分如下：
@irq_startup: start up the interrupt (defaults to ->enable if NULL)
@irq_shutdown: shut down the interrupt (defaults to ->disable if NULL)
@irq_enable: enable the interrupt (defaults to chip->unmask if NULL)
@irq_disable: disable the interrupt
@irq_ack: start of a new interrupt
@irq_mask: mask an interrupt source
@irq_mask_ack: ack and mask an interrupt source
@irq_unmask: unmask an interrupt source
@irq_eoi: end of interrupt
我们在request_irq后，并不需要手工去使能中断，原因就是系统调用对应的irq_chip里的函数帮我们使能了中断。
我们提供的中断处理函数中，也不需要执行主芯片相关的清中断操作，也是系统帮我们调用irq_chip中的相关函数。
但是对于外部设备相关的清中断操作，还是需要我们自己做的。
就像上面图里的“外部设备1“、“外部设备n”，外设备千变万化，内核里可没有对应的清除中断操作
在设备树中指定中断、在驱动中获得中断
可以参考文档：内核的Documentation\devicetree\bindings\interrupt-controller\interrupts.txt
设备树里中断节点的语法
设备树里的中断控制器
比如中断的硬件框图如下：设备树会将这个硬件图转化为节点
在硬件上，“中断控制器”只有 GIC 这一个，但是我们在软件上也可以把上图中的“GPIO”称为“中断控制器”。很多芯片有多个 GPIO 模块，比如 GPIO1、GPIO2 等等。所以软件上的“中断控制器”就有多个。各个中断控制器之间有父子关系。
假设 GPIO1 有 32 个中断源，但是它把其中的 16 个汇聚起来向 GIC 发出一个中断，把另外 16 个汇聚起来向 GIC 发出另一个中断。这就意味着 GPIO1 会用到 GIC 的两个中断，会涉及 GIC 里的 2 个 hwirq。这些层级关系、中断号(hwirq)，都会在设备树中有所体现。
在设备树中，中断控制器节点中必须有一个属性：interrupt-controller，表明它是“中断控制器”。还必须有一个属性：#interrupt-cells，表明引用这个中断控制器的话需要多少个 cell。
#interrupt-cells 的值一般有如下取值：
- #interrupt-cells=<1>
别的节点要使用这个中断控制器时，只需要一个 cell 来表明使用“哪一个中断”。 - #interrupt-cells=<2>
别的节点要使用这个中断控制器时，需要一个 cell 来表明使用“哪一个中断”；还需要另一个 cell 来描述中断，一般是表明触发类型：
第 2 个 cell 的 的 bits[3:0] 用来表示中断触发类型(trigger type and level flags) ：
1 = low-to-high edge triggered ，上升沿触发
2 = high-to-low edge triggered ，下降沿触发
4 = active high level-sensitive ，高电平触发
8 = active low level-sensitive ， 低电平触发
如果中断控制器有级联关系，下级的中断控制器还需要表明它的“ interrupt-parent ” 是 谁 ， 用 了 interrupt-parent ” 中的哪一个“interrupts”
设备树里使用中断
一个外设，它的中断信号接到哪个“中断控制器”的哪个“中断引脚”，这个中断的触发方式是怎样的？这 3个问题，在设备树里使用中断时，都要有所体现。
例如：
i2c@7000c000 {
gpioext: gpio-adnp@41 {
compatible = "ad,gpio-adnp";
//用哪一个中断控制器里的中断？
interrupt-parent = <&gpio>;
//用哪一个中断？Interrupts 里要用几个 cell，由 interrupt-parent 对应的中断控制器决定
interrupts = <160 1>;
gpio-controller;
#gpio-cells = <1>;
interrupt-controller;
#interrupt-cells = <2>;//指明子节点的指定中断控制器的话需要多少个 cell
};
......
};
新的写法：interrupts-extended，指明了上述的三个问题
一个“interrupts-extended”属性就可以既指定“interrupt-parent”，也指定“interrupts”，比如：
interrupts-extended = <&intc1 5 1>, <&intc2 1 0>;
设备树里中断节点的示例
从设备树文件里面将有关中断的部分内容抽取出来：
对于第一个节点，是GIC控制器，使用到该控制器需要三个cell，因为对于多CPU系统，GIC可以发出两种信号（SPI，PPI）而CPU之间可以通过SGI进行通信，所以GIC控制器的第一个cell必须要指定是哪种信号（SPI或PPI或SGI）
从设备树反推 IMX6ULL 的中断体系，如下，比之前的框图多了一个“GPC INTC”
在代码中获得中断
根据博文：哪些设备树节点会被转换为 platform_device提到，设备树中的节点有些能被转换为内核里的platform_device，有些不能
对于 platform_device
一个节点能被转换为 platform_device，如果它的设备树里指定了中断属性，那么可以从platform_device 中获得“中断资源”，函数如下，可以使用下列函数获得 IORESOURCE_IRQ 资源，即中断号：
/**
* platform_get_resource - get a resource for a device
* @dev: platform device
* @type: resource type // 取哪类资源？IORESOURCE_MEM 、IORESOURCE_REG
* // IORESOURCE_IRQ 等
* @num: resource index // 这类资源中的哪一个？
*/
struct resource *platform_get_resource(struct platform_device *dev,
unsigned int type,
unsigned int num);
对于 I2C 设备、SPI 设备
对于 I2C 设备节点，I2C 总线驱动在处理设备树里的 I2C 子节点时，也会处理其中的中断信息。一个 I2C 设备会被转换为一个 i2c_client 结构体，中断号会保存在 i2c_client 的 irq 成员里，代码如下(drivers/i2c/i2c-core.c)：
对于 SPI 设备节点，SPI 总线驱动在处理设备树里的 SPI 子节点时，也会处理其中的中断信息。一个 SPI 设备会被转换为一个 spi_device 结构体，中断号会保存在 spi_device 的 irq 成员里，代码如下(drivers/spi/spi.c)：
调用 of_irq_get 获得中断号
如果你的设备节点既不能转换为 platform_device，它也不是 I2C 设备，不是 SPI 设备，那么在驱动程序中可以自行调用 of_irq_get 函数去解析设备树，得到中断号。
对于 GPIO
参考：drivers/input/keyboard/gpio_keys.c；可以使用 gpio_to_irq 或 gpiod_to_irq 获得中断号。
举例，假设在设备树中有如下节点：
gpio-keys {
compatible = "gpio-keys";
pinctrl-names = "default";
user {
label = "User Button";
gpios = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
gpio-key,wakeup;
linux,code = <KEY_1>;
};
};
那么可以使用下面的函数获得引脚和 flag：
button->gpio = of_get_gpio_flags(pp, 0, &flags);
bdata->gpiod = gpio_to_desc(button->gpio);
再去使用 gpiod_to_irq 获得中断号：
irq = gpiod_to_irq(bdata->gpiod);