Linux内核设计基础之中断处理

Posted 2020-11-01 llguanli

假设让内核定期对设备进行轮询。以便处理设备，那会做非常多无用功，假设能让设备在须要内核时主动通知内核，会是一个聪明的方式，这便是中断。

在响应一个特定中断时，内核会运行一个函数——中断处理程序。

中断处理程序与其它内核函数的差别在于，中断处理程序是被内核调用来响应中断的，而它们运行于我们称之为中断上下文的特殊上下文中。

我们期望让中断处理程序运行得快。并想让它完毕的工作量多，这两个目标相互制约，怎样解决——上下半部机制。

我们把中断处理切为两半。我们用网卡来解释一下这两半。

当网卡接受到数据包时，通知内核，触发中断。所谓的上半部就是，及时读取数据包到内存。防止由于延迟导致丢失，这是非常急迫的工作。读到内存后，对这些数据的处理不再紧迫，此时内核能够去运行中断前运行的程序，而对网络数据包的处理则交给下半部处理。

我们先来看一下上半部的处理过程。

中断处理程序的注冊与注销

设备驱动程序利用request_irq()注冊中断处理程序。并激活给定的中断线。

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

irq表示中断号，handler是指向中断处理程序的指针。request_irq()成功运行返回0，当返回非0值时，表示有发生错误，中断处理程序不会被注冊。

卸载设备驱动程序时，须要注销对应的中断处理程序，并释放中断线。这时须要调用free_irq——假设在给定的中断线上没有中断处理程序，则注销响应的处理程序。并禁用当中断线。

中断处理机制

下半部严格来说不属于中断处理程序（由于中断返回后再运行下半部），它是中断处理程序用来缩减自身工作的分担者。

上下半部划分原则

（1）假设一个任务对时间非常敏感。将其放在中断处理程序中运行；

（2）假设一个任务和硬件有关，将其放在中断处理程序中运行；

（3）假设一个任务要保证不被其它中断打断。将其放在中断处理程序中运行；

（4）其它全部任务。考虑放置在下半部运行。

上下半部的意义

上半部简单高速。运行时禁止一些或者全部中断。下半部稍后运行，并且运行期间能够响应全部的中断。这样的设计能够使系统处于中断屏蔽状态的时间尽可能的短，以此来提高系统的响应能力。

下半部实现机制之软中断

在中断处理程序中触发软中断是最常见的形式。在这样的情况下。中断处理程序运行硬件设备的相关操作。然后触发对应的软中断，最后退出。

内核在运行完中断处理程序后，立即就会调用do_softirq()函数，于是软中断開始运行中断处理程序留给它去完毕的剩余任务。

软中断注冊方式例如以下：

open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);

前面的參数是软中断的索引號。后面的是处理函数。软中断处理程序运行时。同意响应中断，但它自己不能休眠。

下半部实现机制之tasklet

tasklet是通过软中断实现的，所以它本身也是软中断。

首先声明自己的tasklet，DECLARE_TASKLET(name, func, data)，当该tasklet被调度后。给定的函数func会被运行。它的參数由data给出。接下来定义tasklet处理程序void tasklet_handler(unsigned long data)，然后開始调度。tasklet由tasklet_schedule()和tasklet_hi_schedule()进行调度。

tasklet_schedule()的运行步骤：

（1）检查tasklet的状态是否为TASKLET_STATE_SCHED。假设是，说明tasklet已经被调度过了，函数立即返回。

（2）调用_tasklet_schedule()。

（3）保存中断状态，然后禁止本地中断。在我们运行tasklet代码时，这么做能够保证当tasklet_schedule()处理这些tasklet时，处理器上的数据不会弄乱。

（4）把须要调度的tasklet加到每一个处理器一个的tasklet_vec链表或tasklet_hi_vec链表的表头上。

（5）唤醒TASKLET_SOFTIRQ或HI_SOFTIRQ软中断，这样在下一次调用do_softirq()时就会运行该tasklet。

（6）恢复中断到原状态并返回。

下半部实现机制之工作队列（work queue）

假设推后运行的任务须要睡眠。那么就选择工作队列，假设不须要睡眠，那么就选择软中断或tasklet。

工作队列能运行在进程上下文，它将工作委托给一个内核线程。我们用结构体workqueue_struct表示工作者线程，工作者线程是用内核线程实现的。而工作者线程是怎样运行被推后的工作——有这样一个链表。它由结构体work_struct组成，而这个work_struct则描写叙述了一个工作，一旦这个工作被运行完。对应的work_struct对象就从链表上移去，当链表上不再有对象时，工作者线程就会继续休眠。这些逻辑是通过函数worker_thread()实现的：

（1）线程将自己设置为休眠状态。并把自己增加到等待队列中。

（2）假设工作链表是空的。线程调用schedule()函数进入休眠状态。

（3）假设链表中有对象，线程不会休眠。相反。它会脱离等待队列。

（4）假设链表非空，调用run_workqueue()运行被推后的工作。

另外，cpu_workqueue_struct表示一个工作者线程。而workqueue_struct表示一类工作者线程。

创建工作者线程，DECLARE_WORK(name, void (*func) (void *), void *data)或INIT_WORK(struct work_struct *work, void (*func) (void *), void *data)，前者是静态创建，后者在运行时通过指针创建。

工作者线程创建了，接下来应该定义它要运行的函数work_handler。之后就是用schedule_work(&work)来调度工作线程的唤醒与休眠。