【嵌入式Linux学习七步曲之第五篇 Linux内核及驱动编程】深入剖析Linux中断机制之二－－Linux中断的组织形式

 

 

深入剖析Linux中断机制之二

－－Linux中断的组织形式

 

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【摘要】本文详解了Linux内核的中断实现机制。首先介绍了中断的一些基本概念，然后分析了面向对象的Linux中断的组织形式、三种主要数据结构及其之间的关系。随后介绍了Linux处理异常和中断的基本流程，在此基础上分析了中断处理的详细流程，包括保存现场、中断处理、中断退出时的软中断执行及中断返回时的进程切换等问题。最后介绍了中断相关的API，包括中断注册和释放、中断关闭和使能、如何编写中断ISR、共享中断、中断上下文中断状态等。

【关键字】中断，异常，hw_interrupt_type，irq_desc_t，irqaction，asm_do_IRQ，软中断，进程切换，中断注册释放request_irq，free_irq，共享中断，可重入，中断上下文

 

 

 

1       Linux中断的组织形式

1.1    IRQ描述符irq_desc

对于每个IRQ中断线，Linux都用一个irq_desc_t数据结构来描述，我们把它叫做IRQ描述符，NR_IRQS个IRQ形成一个全局数组irq_desc[]，其定义在/include/linux/irq.h中：

 

struct irq_desc – 中断描述符

 148struct irq_desc {

 149        irq_flow_handler_t      handle_irq;

 150        struct irq_chip         *chip;

 151        void                 *handler_data;

 152        void                 *chip_data;

 153        struct irqaction        *action;        /* IRQ action list */

 154        unsigned int            status;         /* IRQ status */

 155

 156        unsigned int            depth;          /* nested irq disables */

 157        unsigned int            wake_depth;     /* nested wake enables */

 158        unsigned int            irq_count;      /* For detecting broken IRQs */

 159        unsigned int            irqs_unhandled;

 160        spinlock_t              lock;

 161#ifdef CONFIG_SMP

 162        cpumask_t               affinity;

 163        unsigned int            cpu;

 164#endif

 171        const char              *name;

 172} ____cacheline_aligned;

 173

 174extern struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS];

 

handle_irq：上层的通用中断处理函数指针，如果未设置则默认为__do_IRQ()。通常针对电平触发或者边沿触发有不同的处理函数。每个中断线可分别设置；

chip：底层中断的各种控制访问方法集合，各个CPU实现的都不同，这属于面向对象的中断处理方式中最底层的一部分；

handler_data：附加参数，用于handle_irq；

chip_data：平台相关的附加参数，用于chip；

action：指向一个单向链表的指针，这个链表就是对中断服务例程进行描述的irqaction结构；

status：中断当前的状态；

depth：中断关闭打开的层数。如果启用这条IRQ中断线，depth则为0，如果禁用这条IRQ中断线不止一次，则为一个正数。如果depth等于0，每当调用一次disable_irq( )，该函数就对这个域的值加1，同时该函数就禁用这条IRQ中断线。相反，每当调用enable_irq( )函数时，该函数就对这个域的值减1；如果depth变为0，该函数就启用这条IRQ中断线。

Lock：此中断描述符为全局共享暑假，对于SMP需要互斥访问

Dir： /proc/irq/ 入口

Name： /proc/interrupts 中显示的中断名称

“____cacheline_aligned”表示这个数据结构的存放按32字节（高速缓存行的大小）进行对齐，以便于将来存放在高速缓存并容易存取

 

linux+v 2.6.19 /arch/arm/kernel/irq.c

 157void __init init_IRQ(void)

 158{

 159        int irq;

 160

 161        for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++)

 162                irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_DELAYED_DISABLE |

 163                        IRQ_NOPROBE;

 164

 165#ifdef CONFIG_SMP

 166        bad_irq_desc.affinity = CPU_MASK_ALL;

 167        bad_irq_desc.cpu = smp_processor_id();

 168#endif

 169        init_arch_irq();

 170}

 

 

1.2    中断控制器描述符irq_chip

由于CPU不同，故每个处理器对于中断的处理方式不一样。Linux为了实现统一的中断处理，提供了底层的中断处理抽象接口，对于每个平台都需要实现底层的接口函数。这样对于上层的中断通用处理程序就无需任何改动。

 

struct irq_chip –片级的中断描述符

  94struct irq_chip {

  95        const char      *name;

  96        unsigned int    (*startup)(unsigned int irq);

  97        void            (*shutdown)(unsigned int irq);

  98        void            (*enable)(unsigned int irq);

  99        void            (*disable)(unsigned int irq);

 100

 101        void            (*ack)(unsigned int irq);

 102        void            (*mask)(unsigned int irq);

 103        void            (*mask_ack)(unsigned int irq);

 104        void            (*unmask)(unsigned int irq);

 105        void            (*eoi)(unsigned int irq);

 106

 107        void            (*end)(unsigned int irq);

 108        void            (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest);

 109        int             (*retrigger)(unsigned int irq);

 110        int             (*set_type)(unsigned int irq, unsigned int flow_type);

 111        int             (*set_wake)(unsigned int irq, unsigned int on);

 121        const char      *typename;

 122};

 

Name：用于/proc/interrupts

Startup：默认为enable if NULL

Shutdown：默认为 disable if NULL

Enable：允许中断，默认为unmask if NULL

Disable：禁止中断，默认为mask if NULL

Ack：响应一个中断

Mask：mask 一个中断源，通常是关闭中断

mask_ack：响应并mask中断源

unmask：unmask中断源

set_type：设置中断触发方式IRQ_TYPE_LEVEL

 

大多数控制方法都是重复的，基本上只要有中断响应、中断屏蔽、中断开启、中断触发类型设置等方法就可以满足要求了。其他各种方法基本上和这些相同。

 

linux+v 2.6.19 /arch/arm/mach-at91rm9200/irq.c

提供了中断响应、打开、关闭、设置触发类型等底层方法的接口

static struct irq_chip at91_aic_chip = {

        .name              = "AIC",

        .ack         = at91_aic_mask_irq,

        .mask               = at91_aic_mask_irq,

        .unmask           = at91_aic_unmask_irq,

        .set_type  = at91_aic_set_type,

        .set_wake        = at91_aic_set_wake,

};

 

 124/*

 125 * Initialize the AIC interrupt controller.

 126 */

 127void __init at91_aic_init(unsigned int priority[NR_AIC_IRQS])

 128{

 129        unsigned int i;

 130

 131        /*

 132         * The IVR is used by macro get_irqnr_and_base to read and verify.

 133         * The irq number is NR_AIC_IRQS when a spurious interrupt has occurred.

 134         */

 135        for (i = 0; i < NR_AIC_IRQS; i++) {

 136                /* Put irq number in Source Vector Register: */

 137                at91_sys_write(AT91_AIC_SVR(i), i);

 138                /* Active Low interrupt, with the specified priority */

 139                at91_sys_write(AT91_AIC_SMR(i), AT91_AIC_SRCTYPE_LOW | priority[i]);

 140

 141                set_irq_chip(i, &at91_aic_chip);

 142                set_irq_handler(i, do_level_IRQ);

 143                set_irq_flags(i, IRQF_VALID | IRQF_PROBE);

 144

 145                /* Perform 8 End Of Interrupt Command to make sure AIC will not Lock out nIRQ */

 146                if (i < 8)

 147                        at91_sys_write(AT91_AIC_EOICR, 0);

 148        }

 149

 150        /*

 151         * Spurious Interrupt ID in Spurious Vector Register is NR_AIC_IRQS

 152         * When there is no current interrupt, the IRQ Vector Register reads the value stored in AIC_SPU

 153         */

 154        at91_sys_write(AT91_AIC_SPU, NR_AIC_IRQS);

 155

 156        /* No debugging in AIC: Debug (Protect) Control Register */

 157        at91_sys_write(AT91_AIC_DCR, 0);

 158

 159        /* Disable and clear all interrupts initially */

 160        at91_sys_write(AT91_AIC_IDCR, 0xFFFFFFFF);

 161        at91_sys_write(AT91_AIC_ICCR, 0xFFFFFFFF);

 162}

 163

 

以下这些宏定义都是为保持兼容性而设置的，后续版本中将彻底删除

  47#define do_level_IRQ    handle_level_irq

  48#define do_edge_IRQ     handle_edge_irq

  49#define do_simple_IRQ   handle_simple_irq

  50#define irqdesc         irq_desc

  51#define irqchip         irq_chip

 

  55#define SA_INTERRUPT            IRQF_DISABLED

  57#define SA_SHIRQ                IRQF_SHARED

  60

  61#define SA_TRIGGER_LOW          IRQF_TRIGGER_LOW

  62#define SA_TRIGGER_HIGH         IRQF_TRIGGER_HIGH

  63#define SA_TRIGGER_FALLING      IRQF_TRIGGER_FALLING

  64#define SA_TRIGGER_RISING       IRQF_TRIGGER_RISING

  65#define SA_TRIGGER_MASK         IRQF_TRIGGER_MASK

 

linux/kernel/irq/chip.c

handle_level_irq

 

1.3    中断服务例程描述符irqaction

在IRQ描述符中我们看到指针action的结构为irqaction，它是为多个设备能共享一条中断线而设置的一个数据结构，代表了每个注册中断对应的信息。在include/linux/interrupt.h中定义如下:

 

  67typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

  68

  69struct irqaction {

  70        irq_handler_t handler;

  71        unsigned long flags;

  72        cpumask_t mask;

  73        const char *name;

  74        void *dev_id;

  75        struct irqaction *next;

  76        int irq;

  77        struct proc_dir_entry *dir;

  78};

 

Handler：指向一个具体I/O设备的中断服务例程。这是允许多个设备共享同一中断线的关键域，中断线可以相同，但处理函数可以不一样。

Flags：用一组标志描述中断线与I/O设备之间的关系。

SA_INTERRUPT

中断处理程序必须以禁用中断来执行。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(fast interrupt handler)。过去，Linux将中断处理程序分为快速和慢速两种。那些可以迅速执行但调用频率可能会很高的中断服务程序，会被贴上这样的标签。通常这样做需要修改中断处理程序的行为，使它们能够尽可能快地执行。现在，加不加此标志的区别只剩下一条了：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。这使得快速中断处理程序能够不受其他中断干扰，得以迅速执行。而默认情况下(没有这个标志)，除了正运行的中断处理程序对应的那条中断线被屏蔽外，其他所有中断都是激活的。除了时钟中断外，绝大多数中断都不使用该标志。

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。在同一个给定线上注册的每个处理程序必须指定这个标志：否则，在每条线上只能有一个处理程序。各项该中断线的每一个例程都需要设置此标志。

 

Name：I/O设备名（通过读取/proc/interrupts文件，可以看到，在列出中断号时也显示设备名。）

dev_id：对于共享中断，此特定值用来区分各中断。当一个中断处理程序需要释放时，dev_id将提供惟一的标志信息(cookie)，以便从共享中断线的诸多中断处理程序中删除指定的那一个。如果没有这个参数，那么内核不可能知道在给定的中断线上到底要删除哪一个处理程序。

 

如果无需共享中断线，那么将该参数赋为空值(NULL)就可以了，但是，如果中断线是被共享的，那么就必须传递惟一的信息。另外，内核每次调用中断处理程序时，都会把这个指针传递给它。实践中往往会通过它传递驱动程序的设备结构：这个指针是惟一的，而且有可能在中断处理程序内及设备模式中被用到。

 

Next：指向irqaction描述符链表的下一个元素。共享同一中断线的每个硬件设备都有其对应的中断服务例程，链表中的每个元素就是对相应设备及中断服务例程的描述。

 

Irq：对应的中断号

dir：proc文件系统对应的入口

 

1.4    三者的关系

三个主要的数据结构包含了与 IRQ 相关的所有信息：hw_interrupt_type、irq_desc_t 和 irqaction，下图解释了它们之间是如何关联的。中断服务例程ISR是irqaction 的Handler成员。

 

中断的处理是一种面向对象的机制，通过三个数据结果实现了三层结构，底层是和具体硬件相关的中断处理响应等，中间层是统一的中断处理流程，最上层是特定的中断处理例程。

IRQ 结构之间的关系