硬中断和软中断

本文主要内容：硬中断 / 软中断的原理和实现

内核版本：2.6.37

Author：zhangskd @ csdn blog

 

概述

 

从本质上来讲，中断是一种电信号，当设备有某种事件发生时，它就会产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器。

如果中断的线是激活的，中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事，

跳到中断处理程序的入口点，进行中断处理。

 

(1) 硬中断

由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。比如当网卡收到数据包

的时候，就会发出一个中断。我们通常所说的中断指的是硬中断(hardirq)。

 

(2) 软中断

为了满足实时系统的要求，中断处理应该是越快越好。linux为了实现这个特点，当中断发生的时候，硬中断处理那些短时间

就可以完成的工作，而将那些处理事件比较长的工作，放到中断之后来完成，也就是软中断(softirq)来完成。

 

(3) 中断嵌套

Linux下硬中断是可以嵌套的，但是没有优先级的概念，也就是说任何一个新的中断都可以打断正在执行的中断，但同种中断

除外。软中断不能嵌套，但相同类型的软中断可以在不同CPU上并行执行。

 

(4) 软中断指令

int是软中断指令。

中断向量表是中断号和中断处理函数地址的对应表。

int n - 触发软中断n。相应的中断处理函数的地址为：中断向量表地址 + 4 * n。

 

(5)硬中断和软中断的区别

软中断是执行中断指令产生的，而硬中断是由外设引发的。

硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。

硬中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽。

硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务，这样程序执行时才不会等待较长时间，称为上半部。

软中断处理硬中断未完成的工作，是一种推后执行的机制，属于下半部。 

 

开关

 

(1) 硬中断的开关

简单禁止和激活当前处理器上的本地中断：

local_irq_disable();

local_irq_enable();

保存本地中断系统状态下的禁止和激活：

unsigned long flags;

local_irq_save(flags);

local_irq_restore(flags);

 

(2) 软中断的开关

禁止下半部，如softirq、tasklet和workqueue等：

local_bh_disable();

local_bh_enable();

需要注意的是，禁止下半部时仍然可以被硬中断抢占。

 

(3) 判断中断状态

#define in_interrupt() (irq_count()) // 是否处于中断状态(硬中断或软中断)

#define in_irq() (hardirq_count()) // 是否处于硬中断

#define in_softirq() (softirq_count()) // 是否处于软中断

 

硬中断

 

(1) 注册中断处理函数

注册中断处理函数：

 /**
  * irq: 要分配的中断号
  * handler: 要注册的中断处理函数
  * flags: 标志(一般为0)
  * name: 设备名(dev->name)
  * dev: 设备(struct net_device *dev)，作为中断处理函数的参数
  * 成功返回0
  */

 int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
     const char *name, void *dev);

 

中断处理函数本身：

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

 /**
  * enum irqreturn
  * @IRQ_NONE: interrupt was not from this device
  * @IRQ_HANDLED: interrupt was handled by this device
  * @IRQ_WAKE_THREAD: handler requests to wake the handler thread
  */
 enum irqreturn {
     IRQ_NONE,
     IRQ_HANDLED,
     IRQ_WAKE_THREAD,
 };
 typedef enum irqreturn irqreturn_t;
 #define IRQ_RETVAL(x) ((x) != IRQ_NONE)

 

(2) 注销中断处理函数

 /**
  * free_irq - free an interrupt allocated with request_irq
  * @irq: Interrupt line to free
  * @dev_id: Device identity to free
  *
  * Remove an interrupt handler. The handler is removed and if the
  * interrupt line is no longer in use by any driver it is disabled.
  * On a shared IRQ the caller must ensure the interrupt is disabled
  * on the card it drives before calling this function. The function does
  * not return until any executing interrupts for this IRQ have completed.
  * This function must not be called from interrupt context.
  */

 void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

 

软中断

 

(1) 定义

软中断是一组静态定义的下半部接口，可以在所有处理器上同时执行，即使两个类型相同也可以。

但一个软中断不会抢占另一个软中断，唯一可以抢占软中断的是硬中断。

 

软中断由softirq_action结构体表示：

 struct softirq_action {
     void (*action) (struct softirq_action *); /* 软中断的处理函数 */
 };

 

目前已注册的软中断有10种，定义为一个全局数组：

 static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];

 enum {
     HI_SOFTIRQ = 0, /* 优先级高的tasklets */
     TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器的下半部 */
     NET_TX_SOFTIRQ, /* 发送网络数据包 */
     NET_RX_SOFTIRQ, /* 接收网络数据包 */
     BLOCK_SOFTIRQ, /* BLOCK装置 */
     BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
     TASKLET_SOFTIRQ, /* 正常优先级的tasklets */
     SCHED_SOFTIRQ, /* 调度程序 */
     HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高分辨率定时器 */
     RCU_SOFTIRQ, /* RCU锁定 */
     NR_SOFTIRQS /* 10 */
 };

 

(2) 注册软中断处理函数

 /**
  * @nr: 软中断的索引号
  * @action: 软中断的处理函数
  */

 void open_softirq(int nr, void (*action) (struct softirq_action *))
 {
     softirq_vec[nr].action = action;
 }

例如：

open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);

open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

 

(3) 触发软中断 

调用raise_softirq()来触发软中断。

 void raise_softirq(unsigned int nr)
 {
     unsigned long flags;
     local_irq_save(flags);
     raise_softirq_irqoff(nr);
     local_irq_restore(flags);
 }

 /* This function must run with irqs disabled */
 inline void rasie_softirq_irqsoff(unsigned int nr)
 {
     __raise_softirq_irqoff(nr);

     /* If we're in an interrupt or softirq, we're done
      * (this also catches softirq-disabled code). We will
      * actually run the softirq once we return from the irq
      * or softirq.
      * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we
      * schedule the softirq soon.
      */
     if (! in_interrupt()) /* 如果不处于硬中断或软中断 */
         wakeup_softirqd(void); /* 唤醒ksoftirqd/n进程 */
 }

Percpu变量irq_cpustat_t中的__softirq_pending是等待处理的软中断的位图，通过设置此变量

即可告诉内核该执行哪些软中断。

 static inline void __rasie_softirq_irqoff(unsigned int nr)
 {
     trace_softirq_raise(nr);
     or_softirq_pending(1UL << nr);
 }

 typedef struct {
     unsigned int __softirq_pending;
     unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */
 } irq_cpustat_t;

 irq_cpustat_t irq_stat[];
 #define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)
 #define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))
 #define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)

 

唤醒ksoftirqd内核线程处理软中断。

 static void wakeup_softirqd(void)
 {
     /* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */
     struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);

     if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
         wake_up_process(tsk);
 }

 

在下列地方，待处理的软中断会被检查和执行：

1. 从一个硬件中断代码处返回时

2. 在ksoftirqd内核线程中

3. 在那些显示检查和执行待处理的软中断的代码中，如网络子系统中

 

而不管是用什么方法唤起，软中断都要在do_softirq()中执行。如果有待处理的软中断，

do_softirq()会循环遍历每一个，调用它们的相应的处理程序。

在中断处理程序中触发软中断是最常见的形式。中断处理程序执行硬件设备的相关操作，

然后触发相应的软中断，最后退出。内核在执行完中断处理程序以后，马上就会调用

do_softirq()，于是软中断开始执行中断处理程序完成剩余的任务。

 

下面来看下do_softirq()的具体实现。

 asmlinkage void do_softirq(void)
 {
     __u32 pending;
     unsigned long flags;

     /* 如果当前已处于硬中断或软中断中，直接返回 */
     if (in_interrupt())
         return;

     local_irq_save(flags);
     pending = local_softirq_pending();
     if (pending) /* 如果有激活的软中断 */
         __do_softirq(); /* 处理函数 */
     local_irq_restore(flags);
 }

 /* We restart softirq processing MAX_SOFTIRQ_RESTART times,
  * and we fall back to softirqd after that.
  * This number has been established via experimentation.
  * The two things to balance is latency against fairness - we want
  * to handle softirqs as soon as possible, but they should not be
  * able to lock up the box.
  */
 asmlinkage void __do_softirq(void)
 {
     struct softirq_action *h;
     __u32 pending;
     /* 本函数能重复触发执行的次数，防止占用过多的cpu时间 */
     int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
     int cpu;

     pending = local_softirq_pending(); /* 激活的软中断位图 */
     account_system_vtime(current);
     /* 本地禁止当前的软中断 */
     __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0), SOFTIRQ_OFFSET);
     lockdep_softirq_enter(); /* current->softirq_context++ */
     cpu = smp_processor_id(); /* 当前cpu编号 */

 restart:
     /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
     set_softirq_pending(0); /* 重置位图 */
     local_irq_enable();
     h = softirq_vec;
     do {
         if (pending & 1) {
             unsigned int vec_nr = h - softirq_vec; /* 软中断索引 */
             int prev_count = preempt_count();
             kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);

             trace_softirq_entry(vec_nr);
             h->action(h); /* 调用软中断的处理函数 */
             trace_softirq_exit(vec_nr);

             if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
                 printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p" "with preempt_count %08x,"
                     "exited with %08x?\n", vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action, prev_count,
                     preempt_count());
             }
             rcu_bh_qs(cpu);
         }
         h++;
         pending >>= 1;
     } while(pending);

     local_irq_disable();
     pending = local_softirq_pending();
     if (pending & --max_restart) /* 重复触发 */
         goto restart;

     /* 如果重复触发了10次了，接下来唤醒ksoftirqd/n内核线程来处理 */
     if (pending)
         wakeup_softirqd();

     lockdep_softirq_exit();
     account_system_vtime(current);
     __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
 }

 

(4) ksoftirqd内核线程

内核不会立即处理重新触发的软中断。

当大量软中断出现的时候，内核会唤醒一组内核线程来处理。

这些线程的优先级最低(nice值为19)，这能避免它们跟其它重要的任务抢夺资源。

但它们最终肯定会被执行，所以这个折中的方案能够保证在软中断很多时用户程序不会

因为得不到处理时间而处于饥饿状态，同时也保证过量的软中断最终会得到处理。

 

每个处理器都有一个这样的线程，名字为ksoftirqd/n，n为处理器的编号。

 static int run_ksoftirqd(void *__bind_cpu)
 {
     set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
     current->flags |= PF_KSOFTIRQD; /* I am ksoftirqd */

     while(! kthread_should_stop()) {
         preempt_disable();

         if (! local_softirq_pending()) { /* 如果没有要处理的软中断 */
             preempt_enable_no_resched();
             schedule();
             preempt_disable():
         }

         __set_current_state(TASK_RUNNING);

         while(local_softirq_pending()) {
             /* Preempt disable stops cpu going offline.
              * If already offline, we'll be on wrong CPU: don't process.
              */
              if (cpu_is_offline(long)__bind_cpu))/* 被要求释放cpu */
                  goto wait_to_die;

             do_softirq(); /* 软中断的统一处理函数 */

             preempt_enable_no_resched();
             cond_resched();
             preempt_disable();
             rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);
         }

         preempt_enable();
         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
     }

     __set_current_state(TASK_RUNNING);
     return 0;

 wait_to_die:
     preempt_enable();
     /* Wait for kthread_stop */
     set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
     while(! kthread_should_stop()) {
         schedule();
         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
     }

     __set_current_state(TASK_RUNNING);
     return 0;
 }

 

http://blog.csdn.net/zhangskd/article/details/21992933