1. 中斷的概念

中斷是指在CPU正常運行期間，由于內(nèi)外部事件或由程序預(yù)先安排的事件引起的 CPU 暫時停止正在運行的程序，轉(zhuǎn)而為該內(nèi)部或外部事件或預(yù)先安排的事件服務(wù)的程序中去，服務(wù)完畢后再返回去繼續(xù)運行被暫時中斷的程序。Linux中通常分為外部中斷（又叫硬件中斷）和內(nèi)部中斷（又叫異常）。

軟件對硬件進(jìn)行配置后，軟件期望等待硬件的某種狀態(tài)（比如，收到了數(shù)據(jù)），這里有兩種方式，一種是輪詢（polling）：CPU 不斷的去讀硬件狀態(tài)。另一種是當(dāng)硬件完成某種事件后，給 CPU 一個中斷，讓 CPU 停下手上的事情，去處理這個中斷。很顯然，中斷的交互方式提高了系統(tǒng)的吞吐。

當(dāng) CPU 收到一個中斷 （IRQ）的時候，會去執(zhí)行該中斷對應(yīng)的處理函數(shù)（ISR）。普通情況下，會有一個中斷向量表，向量表中定義了 CPU 對應(yīng)的每一個外設(shè)資源的中斷處理程序的入口，當(dāng)發(fā)生對應(yīng)的中斷的時候， CPU 直接跳轉(zhuǎn)到這個入口執(zhí)行程序。也就是中斷上下文。（注意：中斷上下文中，不可阻塞睡眠）。

2. Linux 中斷 top/bottom

玩過 MCU 的人都知道，中斷服務(wù)程序的設(shè)計最好是快速完成任務(wù)并退出，因為此刻系統(tǒng)處于被中斷中。但是在 ISR 中又有一些必須完成的事情，比如：清中斷標(biāo)志，讀/寫數(shù)據(jù)，寄存器操作等。

在 Linux 中，同樣也是這個要求，希望盡快的完成 ISR。但事與愿違，有些 ISR 中任務(wù)繁重，會消耗很多時間，導(dǎo)致響應(yīng)速度變差。Linux 中針對這種情況，將中斷分為了兩部分：

1. 上半部（top half）：收到一個中斷，立即執(zhí)行，有嚴(yán)格的時間限制，只做一些必要的工作，比如：應(yīng)答，復(fù)位等。這些工作都是在所有中斷被禁止的情況下完成的。

2. 底半部（bottom half）：能夠被推遲到后面完成的任務(wù)會在底半部進(jìn)行。在適合的時機(jī)，下半部會被開中斷執(zhí)行。

3. 中斷處理程序

驅(qū)動程序可以使用接口：

像系統(tǒng)申請注冊一個中斷處理程序。

其中的參數(shù)：

中斷標(biāo)志 flag 的含義：

調(diào)用 request _irq 成功執(zhí)行返回 0。常見錯誤是 -EBUSY，表示給定的中斷線已經(jīng)在使用（或者沒有指定 IRQF_SHARED）

注意：request_irq函數(shù)可能引起睡眠，所以不允許在中斷上下文或者不允許睡眠的代碼中調(diào)用。

釋放中斷：

用于釋放中斷處理函數(shù)。

注意：Linux 中的中斷處理程序是無須重入的。當(dāng)給定的中斷處理程序正在執(zhí)行的時候，其中斷線在所有的處理器上都會被屏蔽掉，以防在同一個中斷線上又接收到另一個新的中斷。通常情況下，除了該中斷的其他中斷都是打開的，也就是說其他的中斷線上的重點都能夠被處理，但是當(dāng)前的中斷線總是被禁止的，故，同一個中斷處理程序是絕對不會被自己嵌套的。

4. 中斷上下文

與進(jìn)程上下文不一樣，內(nèi)核執(zhí)行中斷服務(wù)程序的時候，處于中斷上下文。中斷處理程序并沒有自己的獨立的棧，而是使用了內(nèi)核棧，其大小一般是有限制的（32bit 機(jī)器 8KB）。所以其必須短小精悍。同時中斷服務(wù)程序是打斷了正常的程序流程，這一點上也必須保證快速的執(zhí)行。同時中斷上下文中是不允許睡眠，阻塞的。

中斷上下文不能睡眠的原因是：

1、 中斷處理的時候,不應(yīng)該發(fā)生進(jìn)程切換，因為在中斷context中，唯一能打斷當(dāng)前中斷handler的只有更高優(yōu)先級的中斷，它不會被進(jìn)程打斷，如果在 中斷context中休眠，則沒有辦法喚醒它，因為所有的wake_up_xxx都是針對某個進(jìn)程而言的，而在中斷context中，沒有進(jìn)程的概念，沒 有一個task_struct（這點對于softirq和tasklet一樣），因此真的休眠了，比如調(diào)用了會導(dǎo)致block的例程，內(nèi)核幾乎肯定會死。

2、schedule()在切換進(jìn)程時，保存當(dāng)前的進(jìn)程上下文（CPU寄存器的值、進(jìn)程的狀態(tài)以及堆棧中的內(nèi)容），以便以后恢復(fù)此進(jìn)程運行。中斷發(fā)生后，內(nèi)核會先保存當(dāng)前被中斷的進(jìn)程上下文（在調(diào)用中斷處理程序后恢復(fù)）；

但在中斷處理程序里，CPU寄存器的值肯定已經(jīng)變化了吧（最重要的程序計數(shù)器PC、堆棧SP等），如果此時因為睡眠或阻塞操作調(diào)用了schedule()，則保存的進(jìn)程上下文就不是當(dāng)前的進(jìn)程context了.所以不可以在中斷處理程序中調(diào)用schedule()。

3、內(nèi)核中schedule()函數(shù)本身在進(jìn)來的時候判斷是否處于中斷上下文:

if(unlikely(in_interrupt()))

BUG();

因此，強(qiáng)行調(diào)用schedule()的結(jié)果就是內(nèi)核BUG。

4、中斷handler會使用被中斷的進(jìn)程內(nèi)核堆棧，但不會對它有任何影響，因為handler使用完后會完全清除它使用的那部分堆棧，恢復(fù)被中斷前的原貌。

5、處于中斷context時候，內(nèi)核是不可搶占的。因此，如果休眠，則內(nèi)核一定掛起。

5. 舉例

比如 RTC 驅(qū)動程序 (drivers/char/rtc.c)。在 RTC 驅(qū)動的初始化階段，會調(diào)用到 rtc_init 函數(shù)：

在這個初始化函數(shù)中調(diào)用到了 request_irq 用于申請中斷資源，并注冊服務(wù)程序：

RTC_IRQ 是中斷號，和處理器綁定。

rtc_interrupt 是中斷處理程序：

每次收到 RTC 中斷，就會調(diào)用進(jìn)這個函數(shù)。

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6. 中斷處理流程

發(fā)生中斷時，CPU執(zhí)行異常向量vector_irq的代碼， 即異常向量表中的中斷異常的代碼，它是一個跳轉(zhuǎn)指令，跳去執(zhí)行真正的中斷處理程序，在vector_irq里面，最終會調(diào)用中斷處理的總?cè)肟诤瘮?shù)。

C 語言的入口為 ：asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)

該函數(shù)的入?yún)?irq 為中斷號。

asm_do_IRQ -> handle_IRQ

handle_IRQ -> __handle_domain_irq

這里請注意：

先調(diào)用了 irq_enter 標(biāo)記進(jìn)入了硬件中斷：

irq_enter是更新一些系統(tǒng)的統(tǒng)計信息，同時在__irq_enter宏中禁止了進(jìn)程的搶占。雖然在產(chǎn)生IRQ時，ARM會自動把CPSR中的I位置位，禁止新的IRQ請求，直到中斷控制轉(zhuǎn)到相應(yīng)的流控層后才通過local_irq_enable()打開。那為何還要禁止搶占？這是因為要考慮中斷嵌套的問題，一旦流控層或驅(qū)動程序主動通過local_irq_enable打開了IRQ，而此時該中斷還沒處理完成，新的irq請求到達(dá)，這時代碼會再次進(jìn)入irq_enter，在本次嵌套中斷返回時，內(nèi)核不希望進(jìn)行搶占調(diào)度，而是要等到最外層的中斷處理完成后才做出調(diào)度動作，所以才有了禁止搶占這一處理

再調(diào)用 generic_handle_irq

最后調(diào)用 irq_exit 刪除進(jìn)入硬件中斷的標(biāo)記

__handle_domain_irq -> generic_handle_irq

首先在函數(shù)irq_to_desc中根據(jù)發(fā)生中斷的中斷號，去取出它的 irq_desc 中斷描述結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用 generic_handle_irq_desc：

這里調(diào)用了 handle_irq 函數(shù)。

所以，在上述流程中，還需要分析 irq_to_desc ?流程：

NR_IRQS 是支持的總的中斷個數(shù)，當(dāng)然，irq 不能夠大于這個數(shù)目。所以返回 irq_desc + irq。

irq_desc 是一個全局的數(shù)組：

這里是這個數(shù)組的初始化的地方。所有的 handle_irq 函數(shù)都被初始化成為了 handle_bad_irq。

細(xì)心的觀眾可能發(fā)現(xiàn)了，調(diào)用這個 desc->handle_irq(desc) 函數(shù)，并不是咱們注冊進(jìn)去的中斷處理函數(shù)啊，因為兩個函數(shù)的原型定義都不一樣。這個 handle_irq 是 irq_flow_handler_t 類型，而我們注冊進(jìn)去的服務(wù)程序是 irq_handler_t，這兩個明顯不是同一個東西，所以這里我們還需要繼續(xù)分析。

6.1 中斷相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux 中斷相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有 3 個

irq_desc 結(jié)構(gòu)如下

irqaction 結(jié)構(gòu)如下：

irq_chip 描述如下：

irq_chip 是一串和芯片相關(guān)的函數(shù)指針，這里定義的非常的全面，基本上和 IRQ 相關(guān)的可能出現(xiàn)的操作都全部定義進(jìn)去了，具體根據(jù)不同的芯片，需要在不同的芯片的地方去初始化這個結(jié)構(gòu)，然后這個結(jié)構(gòu)會嵌入到通用的 IRQ 處理軟件中去使用，使得軟件處理邏輯和芯片邏輯完全的分開。

好，我們接下來繼續(xù)前進(jìn)。

6.2 初始化 Chip 相關(guān)的 IRQ

眾所周知，啟動的時候，C 語言從 start_kernel 開始，在這里面，調(diào)用了和 machine 相關(guān)的 IRQ 的初始化 init_IRQ()：

在 init_IRQ 中，調(diào)用了machine_desc->init_irq()：

machine_desc->init_irq()?完成對中斷控制器的初始化，為每個irq_desc結(jié)構(gòu)安裝合適的流控handler，為每個irq_desc結(jié)構(gòu)安裝irq_chip指針，使他指向正確的中斷控制器所對應(yīng)的irq_chip結(jié)構(gòu)的實例，同時，如果該平臺中的中斷線有多路復(fù)用（多個中斷公用一個irq中斷線）的情況，還應(yīng)該初始化irq_desc中相應(yīng)的字段和標(biāo)志，以便實現(xiàn)中斷控制器的級聯(lián)。

這里初始化的時候回調(diào)用到具體的芯片相關(guān)的中斷初始化的地方。

例如：

而在這些里面，都回去調(diào)用類似于：

這些函數(shù)定義在 include/linux/irq.h 文件。是對芯片初始化的時候可見的 APIs，用于指定中斷“流控”中的 ：

irq_flow_handler_t handle

也就是中斷來的時候，最后那個函數(shù)調(diào)用。

中斷流控函數(shù)，分幾種，電平觸發(fā)的中斷，邊沿觸發(fā)的，等：

而在這些處理函數(shù)里，會去調(diào)用到 ：handle_irq_event

比如：

而這個 handle_irq_event 則是調(diào)用了處理，handle_irq_event_percpu：

handle_irq_event_percpu->__handle_irq_event_percpu-> 【action->handler()】

這里終于看到了調(diào)用 的地方了，就是咱們通過 request_irq 注冊進(jìn)去的函數(shù)

7. /proc/interrupts

這個 proc 下放置了對應(yīng)中斷號的中斷次數(shù)和對應(yīng)的 dev-name。

原文作者：【一起學(xué)嵌入式】