一篇帶你了解Linux內(nèi)核源碼分析--中斷處理
一、中斷向量及匯編指令
1、中斷向量
Intel x86系列機器共支持256種向量中斷，Intel用一個8位無符號整數(shù)叫做一個向量，因此也叫中斷向量。所有256種中斷可分為兩大類：異常和中斷，異常又稱為故障和陷阱；中斷又分為外部可屏蔽中斷和外部非屏蔽中斷，所有I/O設(shè)備產(chǎn)生的中斷請求均引起屏蔽中斷。
非屏蔽中斷的向量和異常的向量是固定的，而屏蔽中斷的向量可以通過對中斷控制器的編程來改變。Linux對256個向量分配：從0-31的向量對應(yīng)于異常和非屏蔽中斷；從32-47的向量分配給屏蔽中斷（即I/O設(shè)備引起中斷）；從48-255向量用來標識軟中斷。Linux只用其中一個用來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用（128或0x80向量）。當用戶態(tài)下的進程執(zhí)行一條int 0x80匯編指令，CPU就切換到內(nèi)核態(tài)，并開始執(zhí)行system_call()內(nèi)核函數(shù)。
2、外設(shè)可屏蔽中斷
Intel x86通過兩片中斷控制器8258A來響應(yīng)16個外中斷源，每個8259A可管理 8個中斷源。第1級（稱主片）的第2個中斷請求輸入端，與第2個9258A（稱從片）的中斷輸出端INT相連，級連8259A中斷機構(gòu)架構(gòu)如下：
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中斷控制器執(zhí)行操作：
監(jiān)視中斷線，檢查產(chǎn)生的中斷請求（IRQ）信號；
如果在中斷線上產(chǎn)生了一個中斷請求信號：
把接受到的IRQ信號轉(zhuǎn)換成一個對應(yīng)的向量；
把這個向量存放在中斷控制器的一個I/O端口，從而允許CPU通過數(shù)據(jù)總結(jié)讀這個向量；
把產(chǎn)生的信號發(fā)送到CPU的INTR管腳----即發(fā)出一個中斷；
等待，直到CPU確認這個中斷信號，然后把它寫進可編程中斷控制器PIC的一個I/O端口，清INTR線。
返回到第一次。
異常就是CPU內(nèi)部出現(xiàn)的中斷，也就是說，在CPU執(zhí)行特定指令時出現(xiàn)的非法情況。非屏蔽中斷就是計算機內(nèi)部硬件出錯時引起異常情況。
表示門描述符的類型：任務(wù)門（101）、中斷門（110）、陷阱門（111）、系統(tǒng)門（用來讓用戶態(tài)的進程訪問intel陷阱門）
3、匯編指令
調(diào)用過程指令CALL（指令格式：CALL 過程名）
調(diào)用中斷過程指令 INT（指令格式：INT 中斷向量）
調(diào)用溢出處理程序的指令I(lǐng)NTO（指令格式：INTO）
中斷返回指令（指令格式：IRET------>與中斷調(diào)用過程相反EIP CS EFLAGS寄存器內(nèi)核從棧中彈出）
加載中斷描述符表的指令LIDT（指令格式：LIDT 48位的偽描述符）
二、異常處理與中斷處理
Linux利用異常來達到兩個不同目的：給進程發(fā)送一個信號以通報一個反常情況；處理請求分布。內(nèi)核對異常處理程序調(diào)用有一個標標準，由3個部分組成：在內(nèi)核棧中保存大多數(shù)寄存器的內(nèi)容（由匯編語言進行實現(xiàn)）；調(diào)用C語言編寫的異常處理函數(shù)；通過ret_from_exception()函數(shù)從異常退出。
1、內(nèi)核棧保存寄存器值
所有異常處理程序被調(diào)用的方式比較相似，我們用handler_name來表示一個通用的異常處理程序的名稱。進入異常處理程序的匯編指令，內(nèi)核源碼分析：
標號為jmp error_code的匯編語言片段對所有的異常處理程序都相同的。
進入異常處理程序時內(nèi)核堆棧結(jié)構(gòu)圖如下
2、中斷請求隊列機制 （中斷請求隊列的初始化）
Linux設(shè)計架構(gòu)的時候，專門為每個中斷請求IRQ設(shè)置一個完整隊列，我們可以把它稱為中斷請求隊列。中斷線、中斷請求號（IRQ）及中斷向量之間的關(guān)系：中斷線是中斷請求的一個物理描述，邏輯上對應(yīng)一個中斷請求號（中斷號），第x個中斷號（IRQx）的缺省中斷向量為x+32。
在256個中斷向量中，除32個分配給異常以外，還有244個作為中斷向量。對于每個IRQ，Linux都有用一個irq_desc_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述。如下對應(yīng)內(nèi)核源碼：
三、后半部分機制及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1、為什么把中斷分為兩部分處理
內(nèi)核把中斷分成兩個部分：前半部分和后半部分，前半部分內(nèi)核立即執(zhí)行，而后半部分稍后處理。中斷分割如下圖所示：
首先，一個快速的"前半部分"來處理硬件發(fā)出的請求，它必須在一個新的中斷產(chǎn)生之前終止。：后半部分：來運行：允許一個普通的內(nèi)核函數(shù)，而不僅僅是服務(wù)于中斷的一個函數(shù)，能以后半部分的身份來運行；允許幾個普通的內(nèi)核函數(shù)合在一塊作為一個后半部分來運行。后半部分運行時是允許中斷請求，而前半部分運行時是關(guān)中斷的。
Linux內(nèi)核為將中斷服務(wù)分為兩部分提供方便，并設(shè)立相應(yīng)的機制。新版本內(nèi)核叫軟中斷機制（softirq） 。
四.軟中斷/tasklet/后半部分執(zhí)行
軟中斷機制也是推遲內(nèi)核函數(shù)的執(zhí)行。tasklet建立在軟中斷之上，同一個tasklet只能運行在一個CPU上，而不同的tasklet可以同時運行在不同的CPU上。
軟中斷處理機制之前，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)核源碼展現(xiàn)，軟中斷本身是一種機制，同時也是一種基本框架。此框架包含bh機制，也包含tasklet機制，具體內(nèi)核定義的軟件中斷源碼如下：
其中NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ兩個軟中斷是專為網(wǎng)絡(luò)操作而設(shè)計的，而HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ是針對bh和tasklet而設(shè)計的軟中斷。
1.軟中斷向量：
2.軟中斷控制/狀態(tài)結(jié)構(gòu)
softirq_vec[]是一個全局量，系統(tǒng)中每個CPU所看到的是同一個數(shù)組，但是，每個CPU各有自己的”軟中斷控制狀態(tài)”結(jié)構(gòu)。irq_stat[]數(shù)組是一個全局量，但是各個CPU可以按自身的編號訪問相應(yīng)的域，內(nèi)核源碼如下：
