linux中断处理总结

Posted 2023-02-25

ARM64中断处理过程： https://www.daodaodao123.com/?p=146 上文总结了ARM64裸机中断处理的详细过程，这里主要总结下linux中断处理相关内容；

0.为什么有中断？

中断，本质上是外设发生了事变，需要异步的通知（经由中断控制器，路由给）CPU; 这个过程涉及三部分硬件：外设->中断控制器->CPU ## 1中断处理过程：

外设事变发生后，发送中断信号给中断控制器，中断控制器经过仲裁，路由给CPU; 上图是中断控制器的状态机转换图，一个完整的中断发生过程如下(假设现在有一个触摸屏的外设，配置为高电平触发)： - 中断控制器默认是inactive状态；

• 外设有事件发生(比如按下触摸屏)，触摸屏会产生一个中断信号，送给中断控制器, 如上图中的A1, 中断控制器变为pending状态，此时外设送给中断控制器的信号线保持高电平；
• 中断控制器经过仲裁，选择一个最高优先级中断信号，路由给CPU，CPU没有ACK之前，一直维持信号线的电平状态；
• ARM收到中断信号，开始响应时，硬件自动屏蔽CPU中断(清除daif位），软件从中断控制器读出具体是哪个中断产生，然后对中断控制器进行ACK；若边沿触发中断控制器可能清掉pending(电平触发，不会清)，此时中断控制器处于active and pending（D路径）或active(C路径)；
• CPU执行中断处理程序，中断服务程序退出时，软件恢复CPSR，并对中断控制器EOI;
• 中断控制器，收到EOI，变为inactive状态，再选择下一个pending的中断信号，发给CPU；
• 中断处理的底半部，处理掉外设中断事件源(比如读取触摸屏的坐标，访问相应寄存器)之后，外设的pending信号被清除掉；

linux相对应的API：

disable_irq(n);         //操作中断控制器，屏蔽n号中断；
local_irq_disable()；   //关闭CPU中断

补充： ## 2.disable_irq(n)可能并未生效？

linux里的设计，很多地方都是惰性原则，禁止n号中断，可能并未真正执行，假如逻辑执行期间，n中断并未产生，不会有任何问题，还提高性能； ```cpp disable_irq(n); ... //n号中断发生, 延后执行 enable_irq(n)

若期间有中断产生呢？ **enable_irq(n)使能n号中断后，n号中断服务程序立即执行；**这样，就算disable_irq(n)期间有n号中断产生，也不会漏掉，只是延后执行； ```cpp
//__enable_irq-->irq_startup-->check_irq_resend->irq_sw_resend
/* Tasklet to handle resend: */
static DECLARE_TASKLET(resend_tasklet, resend_irqs);

static int irq_sw_resend(struct irq_desc *desc)

    unsigned int irq = irq_desc_get_irq(desc);

    /*
     * Validate whether this interrupt can be safely injected from
     * non interrupt context
     */
    if (handle_enforce_irqctx(&desc->irq_data))
        return -EINVAL;

    /*
     * If the interrupt is running in the thread context of the parent
     * irq we need to be careful, because we cannot trigger it
     * directly.
     */
    if (irq_settings_is_nested_thread(desc)) 
        /*
         * If the parent_irq is valid, we retrigger the parent,
         * otherwise we do nothing.
         */
        if (!desc->parent_irq)
            return -EINVAL;
        irq = desc->parent_irq;
    

    /* Set it pending and activate the softirq: */
    set_bit(irq, irqs_resend);
    tasklet_schedule(&resend_tasklet);
    return 0;

3.向量中断和非向量中断

向量中断：不同的中断跳转到不同地址，比如x86; 非向量中断，跳转到一个入口地址，通过寄存器来判断具体是哪个中断； linux的实现，最终不同中断信号跳转到不同的irq_desc[]分支； ## 4.什么是中断号？

linux中断号是个纯软件概念，其与中断控制器的硬件中断号，非线性一 一对应； 实际硬件电路中，中断控制器可能是多级级联的； 硬件中断号由硬件电路决定，通常对应配置在设备树里；软件中断号由linux决定，一一对应； ## 5.中断分类

在一个多核系统中，中断分为三类； PPI：只能本核响应，比如TWD； IPI: 用于多核间的通信，比如smp调度； SPI: 共享外围设备中断，可以路由给任何一个核; 对于SPI类型的中断，内核可以通过API设定中断触发的CPU核,默认都是在CPU0上产生的； ```cpp extern int irq_set_affinity(unsigned int irq, const struct cpumask *cpumask)

irq_set_affinity(n,cpumask_of(i));//把n中断设定到CPU_i上；

![](https://www.daodaodao123.com/wp-content/uploads/2022/05/irq4.png)参考一个gic的内部电路图： ![](https://www.daodaodao123.com/wp-content/uploads/2022/05/irq5.png)## 6.为什么一定要有底半步？

案例：CPU外接I2C触摸屏 当触摸事件发生时，产生中断信号，中断控制器将中断信号路由给CPU; CPU执行中断服务程序，必须处理外部事件，清理触摸屏的中断pending信号； 而读I2C设备可以睡眠，在中断ISR读取I2C设备，可能引起死锁； 不读的话，中断退出，触摸屏中断信号未清除，又会触发中断； ### 解决方案：

必须在进程上下文，读I2C设备清除外设中断电平信号； 在中断服务程序顶半部，屏蔽**中断控制器**对应中断 ```cpp
disable_irq_nosync(num)；  

注：n号中断上下文不能调disable_irq(n)，进程上下文可以调用disable_irq(n); ```cpp void disable_irq(unsigned int irq) if (!__disable_irq_nosync(irq)) ///等待正在执行的ISR结束,在n号中断ISR中调用disable_irq(n)会导致死锁 synchronize_irq(irq);

退出顶半部后，在底半步处理完外设事件，再使能对应中断号 ```cpp
enable_irq(num);

而在进程上下文中，可以直接调用disable_irq(n)/enable_irq(n); ```cpp disable_irq(n); ... //n号中断发生,不会死锁 enable_irq(n)

## 7.底半部：

顶半部不能太久，堵住了后面的进程； 顶半部屏蔽了中断，堵住了后面的中断； 顶半部不能睡眠，但是i2c,spi外设访问可能睡眠； 底半部有**软中断**，**工作队列**，**线程化irq**； |---|
|-----|
|  | 顶半部 |  | 中断上下文 |  | 不可以 |  |
|  | softirq(tasklet) |  | 软中断上下文 |  | 不可以 |  |
|  | workqueue |  | 进程上下文 |  | 可以 |  |
|  | threaded_irq |  | 进程上下文 |  | 可以 |  |

顶半部退出，立马执行软中断，**软中断可以被硬件中断打断**； 工作队列和线程化IRQ,跟普通线程一样接受调度； ### 7.1 软中断,tasklet

内核中采用softirq的地方包括HI_SOFTIRQ、TIMER_SOFTIRQ、NET_TX_SOFTIRQ、NET_RX_SOFTIRQ、TASKLET_SOFTIRQ等，实际驱动编程一般不直接使用软中断(内核固定了用途),用tasklet(softirq一种)代替； ```cpp
tasklet_init(&tasklet,  xxx_func_tasklet,xxx_data)
///中断上下文：
xx_isr()

    ...
    tasklet_hi_schedule(&tasklet);//优先级高于tasklet_schedule
    tasklet_schedule(&tasklet);

wakeup_softirqd也是执行软中断的一个路径，当软中断过多时，放到[ksoftirqd/n]线程; 软中断的执行点： 62. IRQ上半部返回时，先执行软中断，再执行其他线程；

• BH_ENABLE相关函数，比如spin_unlock_bh()；
• kthread_irqd线程与普通线程一样被调度；

bh_enable相关函数会调用到这里： ```cpp void __local_bh_enable_ip(unsigned long ip, unsigned int cnt) WARN_ON_ONCE(in_irq()); lockdep_assert_irqs_enabled(); #ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS local_irq_disable(); #endif /* * Are softirqs going to be turned on now: / if (softirq_count() == SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET) lockdep_softirqs_on(ip); / * Keep preemption disabled until we are done with * softirq processing: */ __preempt_count_sub(cnt - 1);

  if (unlikely(!in_interrupt() && local_softirq_pending())) 
      /*
       * Run softirq if any pending. And do it in its own stack
       * as we may be calling this deep in a task call stack already.
       */
      do_softirq();  ///执行软中断
  

  preempt_count_dec();

#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS local_irq_enable(); #endif preempt_check_resched();

### 7.2 workqueue

传统的workqueue用法语tasklet类似： ```cpp
//申请workqueue
struct work_struct my_wq;
void my_wq_func(struct work_struct *work);

INIT_WORK(&my_wq, my_wq_func);

///中断上下文：
xx_isr()

    ...
    schedule_work(&my_wq);  //调度工作队列
    ...
    return IRQ_HANDLED;

7.3 中断线程化

Linux实时补丁： 清掉软中断上下文，所有软中断放在softirqd线程执行； 线程化执行，可以睡眠； 老版本实现，每个核一个线程，该核所有softirq顺序执行； 新内核用线程池实现，动态创建撤销线程； ```cpp int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id) xxx_isr() return IRQ_WAKE__THREAD;

第一次回调参数：irq_handler_t handler，中断顶半部，运行在中断上下文； 第二个回调参数：irq_handler_t thread_fn，运行在进程上下文； handler可以为NULL，这时内核默认用irq_default_primary_handler()代替handler,并会使用IRQF_ONESHOT。 ```cpp
static irqreturn_t irq_default_primary_handler(int irq, void *dev_id)

    return IRQ_WAKE_THREAD;

7.4 IRQF_ONESHOT:

1.linux内核自动disable_irq(n); 2.执行xxx_isr,唤醒内核线程irq/n; 3.内核线程irq/n执行xxx_thread_fn; 4.内核自动enable_irq(n); 设置IRQF_ONESHOT， 可以把顶半部置为空，内核用默认函数irq_default_primary_handler()替换顶半部； ## 8. preempt_rt补丁

强制中断线程化，将低半部内容放到线程执行； ```cpp request_irq(n, xxx_isr, 0); 转化为 request_threaded_irq(n,irq_default_primary_handler,xxx_isr,IRQF_ONESHOT);

## 9.Linux常用到的中断，锁相关API：

**屏蔽本地中断：**```cpp
local_irq_disable()
local_irq_enable()

在驱动中使用local_irq_disable通常是个bug; 禁止底半部``` local_bh_disable() local_bh_enable()

**屏蔽中断源：**```cpp
disable_irq(n)
enable_irq(n)

当中断和进程竟态；```cpp //进程上下文 spin_lock_irqsave(); spin_unlock_restore();

//中断上下文 spin_lock(); spin_unlock();

irq:解决本核的抢占问题； spin_lock:解决多核间的抢占； **软中断和进程竟态:**软中断的抢占由中断引起，中断退出时，调用软中断； ```cpp
//进程上下文
spin_lock_bh();
spin_unlock_bh();///软中断调用点bh_enable()

//软中断上下文
spin_lock();
spin_unlock();