对linux内核中断处理的一些理解

                          

    最近工作比较闲，可以有挺多的时间来看内核，今天想把对linux 2.6内核中中断机制的一些理解记录一下，然后继续去看IPC方面的源码。

     中断和异常的故事首先是从硬件中断控制器开始的。中断控制器以前是用PIC，如8059A，可以支持16个中断线，现在高级了，使用了APIC，可以支持多达256的中断线。

     一个外部中断被触发后，CPU会自动关闭中断响应，然后去执行entry.S中的汇编代码。例行公事地进行一些寄存器压栈，获取中断号后，进入do_IRQ()函数。在进入do_IRQ后，首先调用irq_entry()。这个函数的主要工作是对thread_info中的preempt_count中的Hard_IRQ字段进行了递增。这会使in_interrupt()函数返回true,从而标志系统进入中断处理的上下文中。

     继续往下，因为中断处理需要一些关键的信息，如中断处理函数的句柄等，而内核通过irq_desc结构体来登记这些信息。怎样去得到它呢?内核维护了一个irq_desc_ptrs的全局数组，通过irq_to_desc函数，将中断号转换为irq_desc结构体。

     做完这些后，该是调用hander_irq()了。函数执行需要堆栈的支持，在内核中，异常的堆栈是属于进程的，而softirq 和 hardirq的堆栈是属于CPU的，即每个CPU分别维护了一个softirq 和 hardirq堆栈，可以通过__get_cpu_var这个宏获得。在hander_irq中，在获得hardirq的堆栈以后，我们通过一小段的内嵌汇编，将当前堆栈切换到了hardirq堆栈，并执行irq_desc中所指定的中断服务程序。

    还需要指出的是，中断服务程序是在关中断的情况下进行的。为了不影响系统对中断的反应能力，在handlr里面，应该只执行一些关键的不需要耗费太多时间的操作，而把需要大量时间的操作放到softirq或者tasklet中来做。

    在执行完hander_irq中，返回到do_IRQ中，调用irq_exit()。首先，他调用了preempt_enable_no_reshued()将preempt_count中的handirq字段减去handirq-1。但是，注意，这里preempt_count没有减为0，最少也是1。因为该字段控制了该进程是否可以被调度，而到目前为止，还在中断处理上下文中，当前进程还没有准备好接受调度，所以不能将preempt_count减为0,但in_interrupt()函数已经会返回false了，因为他是通过判断preempt_count中的handirq和softirq字段是否置位来决定返回true还是false的。

    irq_exit()通过判断in_interrupt()来判断中断是否发生了嵌套，如果没有，并且local_softirq_pengding不为零，则调用do_softirq,来执行软中断。值得一提的是，local_softirq_pending也是属于CPU的，是一个用来标识软中断的位图。do_softirq一开始的过程与hander_irq的过程类似。只是它会将堆栈切换到softirq的堆栈中，置preempt_count中的softirq位，并使能中断。所以，softirq的执行过程，是可以被中断的，但不能被调度。即handirq的中断服务程序和softirq中的中断服务程序都不能被阻塞。

    那tasklet在那里被执行呢？其实tasklet就是挂在softirq链上的。内核总共有六个softirq,其中优先级最高的和优先级最低的都是用来挂tasklet的。还有，softirq和tasklet 的区别是softirq有可能被多个CPU同时执行，因此，它应该是可重入的；而tasklet的执行是串行的，所以不用考虑重入醒。softirq一般在系统编译时就已经写了，而tasklet可以在系统运行的过程的被添加（比如驱动程序中）。

   由于do_softirq的过程中是开中断的，所以一些中断可能会不断的挂softirq（比如时间中断，触发的很频繁），从而导致一些高优先级的进程得不到即时的响应。内核为了处理这个问题，限制了在__do_softirq中softirq可以被服务的次数，比如说10次，而把剩余的softirq交给ksoftirq内核进程来出来。因为ksoftirq是独立的内核线程，所以，它可以被调度。

   但需要注意的是，无论是hardirq的中断服务程序或者是softirq的中断服务程序都不能访问用户级的数据。因为handirq是在内核控制路径中执行的，虽然它是与发生该中断时正在执行的线程绑定的，但它是不允许改变该进程的任何数据的，而softirq的中断服务程序，即使是在ksoftirq中被执行的那些，因为内核线程不包含用户地址空间，也导致了，访问不了用户级的数据。

    在__do_irq返回以后，内核调用local_irq_disable()又禁止了中断，然后从irq_exit返回，再从do_IRQ中返回到entry.S中，在entry.S中，可能会发生进程的调度，从内核态返回到用户态等一系列的操作，有兴趣的朋友可以自己分析。下图是整个do_IRQ()的函数调用流程：