一文完全讀懂--Linux內(nèi)核中斷處理
一、什么是中斷
中斷 是為了解決外部設(shè)備完成某些工作后通知CPU的一種機(jī)制（譬如硬盤完成讀寫操作后通過中斷告知CPU已經(jīng)完成）。早期沒有中斷機(jī)制的計算機(jī)就不得不通過輪詢來查詢外部設(shè)備的狀態(tài)，由于輪詢是試探查詢的（也就是說設(shè)備不一定是就緒狀態(tài)），所以往往要做很多無用的查詢，從而導(dǎo)致效率非常低下。由于中斷是由外部設(shè)備主動通知CPU的，所以不需要CPU進(jìn)行輪詢?nèi)ゲ樵?，效率大大提升?/p>
從物理學(xué)的角度看，中斷是一種電信號，由硬件設(shè)備產(chǎn)生，并直接送入中斷控制器（如 8259A）的輸入引腳上，然后再由中斷控制器向處理器發(fā)送相應(yīng)的信號。處理器一經(jīng)檢測到該信號，便中斷自己當(dāng)前正在處理的工作，轉(zhuǎn)而去處理中斷。此后，處理器會通知 OS 已經(jīng)產(chǎn)生中斷。這樣，OS 就可以對這個中斷進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。不同的設(shè)備對應(yīng)的中斷不同，而每個中斷都通過一個唯一的數(shù)字標(biāo)識，這些值通常被稱為中斷請求線。
二、中斷控制器
X86計算機(jī)的 CPU 為中斷只提供了兩條外接引腳：NMI 和 INTR。其中 NMI 是不可屏蔽中斷，它通常用于電源掉電和物理存儲器奇偶校驗(yàn)；INTR是可屏蔽中斷，可以通過設(shè)置中斷屏蔽位來進(jìn)行中斷屏蔽，它主要用于接受外部硬件的中斷信號，這些信號由中斷控制器傳遞給 CPU。
常見的中斷控制器有兩種：
可編程中斷控制器8259A
傳統(tǒng)的 PIC（Programmable Interrupt Controller，可編程中斷控制器）是由兩片 8259A 風(fēng)格的外部芯片以“級聯(lián)”的方式連接在一起。每個芯片可處理多達(dá) 8 個不同的 IRQ。因?yàn)閺?PIC 的 INT 輸出線連接到主 PIC 的 IRQ2 引腳，所以可用 IRQ 線的個數(shù)達(dá)到 15 個，如圖下所示。
8259A 高級可編程中斷控制器（APIC）
8259A 只適合單 CPU 的情況，為了充分挖掘 SMP 體系結(jié)構(gòu)的并行性，能夠把中斷傳遞給系統(tǒng)中的每個 CPU 至關(guān)重要。基于此理由，Intel 引入了一種名為 I/O 高級可編程控制器的新組件，來替代老式的 8259A 可編程中斷控制器。該組件包含兩大組成部分：一是“本地 APIC”，主要負(fù)責(zé)傳遞中斷信號到指定的處理器；舉例來說，一臺具有三個處理器的機(jī)器，則它必須相對的要有三個本地 APIC。另外一個重要的部分是 I/O APIC，主要是收集來自 I/O 裝置的 Interrupt 信號且在當(dāng)那些裝置需要中斷時發(fā)送信號到本地 APIC，系統(tǒng)中最多可擁有 8 個 I/O APIC。
每個本地 APIC 都有 32 位的寄存器，一個內(nèi)部時鐘，一個本地定時設(shè)備以及為本地中斷保留的兩條額外的 IRQ 線 LINT0 和 LINT1。所有本地 APIC 都連接到 I/O APIC，形成一個多級 APIC 系統(tǒng)，如圖下所示。
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APIC
目前大部分單處理器系統(tǒng)都包含一個 I/O APIC 芯片，可以通過以下兩種方式來對這種芯片進(jìn)行配置：
作為一種標(biāo)準(zhǔn)的 8259A 工作方式。本地 APIC 被禁止，外部 I/O APIC 連接到 CPU，兩條 LINT0 和 LINT1 分別連接到 INTR 和 NMI 引腳。
作為一種標(biāo)準(zhǔn)外部 I/O APIC。本地 APIC 被激活，且所有的外部中斷都通過 I/O APIC 接收。
辨別一個系統(tǒng)是否正在使用 I/O APIC，可以在命令行輸入如下命令：
如果輸出結(jié)果中列出了 IO-APIC，說明您的系統(tǒng)正在使用 APIC。如果看到 XT-PIC，意味著您的系統(tǒng)正在使用 8259A 芯片。
中斷分類
中斷可分為同步（synchronous）中斷和異步（asynchronous）中斷：
同步中斷是當(dāng)指令執(zhí)行時由 CPU 控制單元產(chǎn)生，之所以稱為同步，是因?yàn)橹挥性谝粭l指令執(zhí)行完畢后 CPU 才會發(fā)出中斷，而不是發(fā)生在代碼指令執(zhí)行期間，比如系統(tǒng)調(diào)用。
異步中斷是指由其他硬件設(shè)備依照 CPU 時鐘信號隨機(jī)產(chǎn)生，即意味著中斷能夠在指令之間發(fā)生，例如鍵盤中斷。
根據(jù) Intel 官方資料，同步中斷稱為異常（exception），異步中斷被稱為中斷（interrupt）。
中斷可分為 可屏蔽中斷 （Maskable interrupt）和 非屏蔽中斷 （Nomaskable interrupt）。異?？煞譃?故障 （fault）、 陷阱 （trap）、 終止 （abort）三類。
從廣義上講，中斷可分為四類： 中斷 、 故障 、 陷阱 、 終止 。這些類別之間的異同點(diǎn)請參看 表。 表：中斷類別及其行為
X86 體系結(jié)構(gòu)的每個中斷都被賦予一個唯一的編號或者向量（8 位無符號整數(shù)）。非屏蔽中斷和異常向量是固定的，而可屏蔽中斷向量可以通過對中斷控制器的編程來改變。
中斷處理 - 上半部（硬中斷）
由于 APIC中斷控制器 有點(diǎn)小復(fù)雜，所以本文主要通過 8259A中斷控制器 來介紹Linux對中斷的處理過程。 中斷處理相關(guān)結(jié)構(gòu)
前面說過， 8259A中斷控制器 由兩片 8259A 風(fēng)格的外部芯片以 級聯(lián) 的方式連接在一起，每個芯片可處理多達(dá) 8 個不同的 IRQ（中斷請求），所以可用 IRQ 線的個數(shù)達(dá)到 15 個。如下圖：
8259A
在內(nèi)核中每條IRQ線由結(jié)構(gòu)體 irq_desc_t 來描述， irq_desc_t 定義如下：
下面介紹一下 irq_desc_t 結(jié)構(gòu)各個字段的作用：
status : IRQ線的狀態(tài)。
handler : 類型為 hw_interrupt_type 結(jié)構(gòu)，表示IRQ線對應(yīng)的硬件相關(guān)處理函數(shù)，比如 8259A中斷控制器 接收到一個中斷信號時，需要發(fā)送一個確認(rèn)信號才會繼續(xù)接收中斷信號的，發(fā)送確認(rèn)信號的函數(shù)就是 hw_interrupt_type 中的 ack 函數(shù)。
action : 類型為 irqaction 結(jié)構(gòu)，中斷信號的處理入口。由于一條IRQ線可以被多個硬件共享，所以 action 是一個鏈表，每個 action 代表一個硬件的中斷處理入口。
depth : 防止多次開啟和關(guān)閉IRQ線。
lock : 防止多核CPU同時對IRQ進(jìn)行操作的自旋鎖。
hw_interrupt_type 這個結(jié)構(gòu)與硬件相關(guān)，這里就不作介紹了，我們來看看 irqaction 這個結(jié)構(gòu)：
下面說說 irqaction 結(jié)構(gòu)各個字段的作用：
handler : 中斷處理的入口函數(shù)， handler 的第一個參數(shù)是中斷號，第二個參數(shù)是設(shè)備對應(yīng)的ID，第三個參數(shù)是中斷發(fā)生時由內(nèi)核保存的各個寄存器的值。
flags : 標(biāo)志位，用于表示 irqaction 的一些行為，例如是否能夠與其他硬件共享IRQ線。
name : 用于保存中斷處理的名字。
dev_id : 設(shè)備ID。
next : 每個硬件的中斷處理入口對應(yīng)一個 irqaction 結(jié)構(gòu)，由于多個硬件可以共享同一條IRQ線，所以這里通過 next 字段來連接不同的硬件中斷處理入口。
irq_desc_t 結(jié)構(gòu)關(guān)系如下圖：
irq_desc_t 注冊中斷處理入口
在內(nèi)核中，可以通過 setup_irq 函數(shù)來注冊一個中斷處理入口。 setup_irq 函數(shù)代碼如下：
setup_irq 函數(shù)比較簡單，就是通過 irq 號來查找對應(yīng)的 irq_desc_t 結(jié)構(gòu)，并把新的 irqaction 連接到 irq_desc_t 結(jié)構(gòu)的 action 鏈表中。要注意的是，如果設(shè)備不支持共享IRQ線（也即是 flags 字段沒有設(shè)置 SA_SHIRQ 標(biāo)志），那么就返回 EBUSY 錯誤。 我們看看 時鐘中斷處理入口 的注冊實(shí)例：
可以看到，時鐘中斷處理入口的IRQ號為0，處理函數(shù)為 timer_interrupt ，并且不支持共享IRQ線（ flags 字段沒有設(shè)置 SA_SHIRQ 標(biāo)志）。
處理中斷請求
當(dāng)一個中斷發(fā)生時，中斷控制層會發(fā)送信號給CPU，CPU收到信號會中斷當(dāng)前的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理過程。中斷處理過程首先會保存寄存器的值到棧中，然后調(diào)用 do_IRQ 函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理， do_IRQ 函數(shù)代碼如下：
do_IRQ 函數(shù)首先通過IRQ號獲取到其對應(yīng)的 irq_desc_t 結(jié)構(gòu)，注意的是同一個中斷有可能發(fā)生多次，所以要判斷當(dāng)前IRQ是否正在被處理當(dāng)中（判斷 irq_desc_t 結(jié)構(gòu)的 status 字段是否設(shè)置了 IRQ_INPROGRESS 標(biāo)志），如果不是處理當(dāng)前，那么就獲取到 action 鏈表，然后通過調(diào)用 handle_IRQ_event 函數(shù)來執(zhí)行 action 鏈表中的中斷處理函數(shù)。
如果在處理中斷的過程中又發(fā)生了相同的中斷（ irq_desc_t 結(jié)構(gòu)的 status 字段被設(shè)置了 IRQ_INPROGRESS 標(biāo)志），那么就繼續(xù)對中斷進(jìn)行處理。處理完中斷后，調(diào)用 do_softirq 函數(shù)來對中斷下半部進(jìn)行處理（下面會說）。
接下來看看 handle_IRQ_event 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
andle_IRQ_event 函數(shù)非常簡單，就是遍歷 action 鏈表并且執(zhí)行其中的處理函數(shù)，比如對于 時鐘中斷 就是調(diào)用 timer_interrupt 函數(shù)。這里要注意的是，如果中斷處理過程能夠開啟中斷的，那么就把中斷打開（因?yàn)镃PU接收到中斷信號時會關(guān)閉中斷）。
中斷處理 - 下半部（軟中斷）
由于中斷處理一般在關(guān)閉中斷的情況下執(zhí)行，所以中斷處理不能太耗時，否則后續(xù)發(fā)生的中斷就不能實(shí)時地被處理。鑒于這個原因，Linux把中斷處理分為兩個部分， 上半部 和 下半部 ， 上半部 在前面已經(jīng)介紹過，接下來就介紹一下 下半部 的執(zhí)行。
一般中斷 上半部 只會做一些最基礎(chǔ)的操作（比如從網(wǎng)卡中復(fù)制數(shù)據(jù)到緩存中），然后對要執(zhí)行的中斷 下半部 進(jìn)行標(biāo)識，標(biāo)識完調(diào)用 do_softirq 函數(shù)進(jìn)行處理。
softirq機(jī)制
中斷下半部 由 softirq（軟中斷） 機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，在Linux內(nèi)核中，有一個名為 softirq_vec 的數(shù)組，如下：
HI_SOFTIRQ 是高優(yōu)先級tasklet，而 TASKLET_SOFTIRQ 是普通tasklet，tasklet是基于softirq機(jī)制的一種任務(wù)隊列（下面會介紹）。 NET_TX_SOFTIRQ 和 NET_RX_SOFTIRQ 特定用于網(wǎng)絡(luò)子模塊的軟中斷（不作介紹）。
注冊softirq處理函數(shù)
要注冊一個softirq處理函數(shù)，可以通過 open_softirq 函數(shù)來進(jìn)行，代碼如下：
前面說了 softirq_vec 數(shù)組有32個元素，每個元素對應(yīng)一種類型的softirq，那么Linux怎么知道哪種softirq需要被執(zhí)行呢？在Linux中，每個CPU都有一個類型為 irq_cpustat_t 結(jié)構(gòu)的變量， irq_cpustat_t 結(jié)構(gòu)定義如下：
其中 __softirq_active 字段表示有哪種softirq觸發(fā)了（int類型有32個位，每一個位代表一種softirq），而 __softirq_mask 字段表示哪種softirq被屏蔽了。Linux通過 __softirq_active 這個字段得知哪種softirq需要執(zhí)行（只需要把對應(yīng)位設(shè)置為1）。
所以， do_softirq 函數(shù)首先通過 softirq_mask(cpu) 來獲取當(dāng)前CPU對應(yīng)被屏蔽的softirq，而 softirq_active(cpu) & mask 就是獲取需要執(zhí)行的softirq，然后就通過對比 __softirq_active 字段的各個位來判斷是否要執(zhí)行該類型的softirq。
tasklet機(jī)制
前面說了，tasklet機(jī)制是基于softirq機(jī)制的，tasklet機(jī)制其實(shí)就是一個任務(wù)隊列，然后通過softirq執(zhí)行。在Linux內(nèi)核中有兩種tasklet，一種是高優(yōu)先級tasklet，一種是普通tasklet。這兩種tasklet的實(shí)現(xiàn)基本一致，唯一不同的就是執(zhí)行的優(yōu)先級，高優(yōu)先級tasklet會先于普通tasklet執(zhí)行。
tasklet本質(zhì)是一個隊列，通過結(jié)構(gòu)體 tasklet_head 存儲，并且每個CPU有一個這樣的隊列，我們來看看結(jié)構(gòu)體 tasklet_head 的定義：
從 tasklet_head 的定義可以知道， tasklet_head 結(jié)構(gòu)是 tasklet_struct 結(jié)構(gòu)隊列的頭部，而 tasklet_struct 結(jié)構(gòu)的 func 字段正式任務(wù)要執(zhí)行的函數(shù)指針。Linux定義了兩種的tasklet隊列，分別為 tasklet_vec 和 tasklet_hi_vec ，定義如下：
可以看出， tasklet_vec 和 tasklet_hi_vec 都是數(shù)組，數(shù)組的元素個數(shù)為CPU的核心數(shù)，也就是每個CPU核心都有一個高優(yōu)先級tasklet隊列和一個普通tasklet隊列。
調(diào)度tasklet
如果我們有一個tasklet需要執(zhí)行，那么高優(yōu)先級tasklet可以通過 tasklet_hi_schedule 函數(shù)調(diào)度，而普通tasklet可以通過 tasklet_schedule 調(diào)度。這兩個函數(shù)基本一樣，所以我們只分析其中一個：
函數(shù)參數(shù)的類型是 tasklet_struct 結(jié)構(gòu)的指針，表示需要執(zhí)行的tasklet結(jié)構(gòu)。 tasklet_hi_schedule 函數(shù)首先判斷這個tasklet是否已經(jīng)被添加到隊列中，如果不是就添加到 tasklet_hi_vec 隊列中，并且通過調(diào)用 __cpu_raise_softirq(cpu, HI_SOFTIRQ) 來告訴softirq需要執(zhí)行 HI_SOFTIRQ 類型的softirq，我們來看看 __cpu_raise_softirq 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
可以看出， __cpu_raise_softirq 函數(shù)就是把 irq_cpustat_t 結(jié)構(gòu)的 __softirq_active 字段的 nr位 設(shè)置為1。對于 tasklet_hi_schedule 函數(shù)就是把 HI_SOFTIRQ 位（0位）設(shè)置為1。
前面我們也介紹過，Linux在初始化時會注冊兩種softirq， TASKLET_SOFTIRQ 和 HI_SOFTIRQ ：
所以當(dāng)把 irq_cpustat_t 結(jié)構(gòu)的 __softirq_active 字段的 HI_SOFTIRQ 位（0位）設(shè)置為1時，softirq機(jī)制就會執(zhí)行 tasklet_hi_action 函數(shù)，我們來看看 tasklet_hi_action 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
tasklet_hi_action 函數(shù)非常簡單，就是遍歷 tasklet_hi_vec 隊列并且執(zhí)行其中tasklet的處理函數(shù)。
