基于 Linux 2.6的 硬中断 / 软中断的原理以及实现

Posted 2020-11-26 黄树超

Author:zhangskd @ csdn blog

概述

从本质上来讲,中断是一种电信号,当设备有某种事件发生时,它就会产生中断,通过总线把电信号发送给中断控制器。
如果中断的线是激活的,中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事,
跳到中断处理程序的入口点,进行中断处理。

有关概念

(1) 硬中断
由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。比如当网卡收到数据包的时候,就会发出一个中断。我们通常所说的中断指的是硬中断(hardirq)。

(2) 软中断
为了满足实时系统的要求,中断处理应该是越快越好。linux为了实现这个特点,当中断发生的时候,硬中断处理那些短时间就可以完成的工作,而将那些处理事件比较长的工作,放到中断之后来完成,也就是软中断(softirq)来完成。

(3) 中断嵌套
Linux下硬中断是可以嵌套的,但是没有优先级的概念,也就是说任何一个新的中断都可以打断正在执行的中断,但同种中断除外。软中断不能嵌套,但相同类型的软中断可以在不同CPU上并行执行。

(4) 软中断指令
int是软中断指令。
中断向量表是中断号和中断处理函数地址的对应表。
int n - 触发软中断n。相应的中断处理函数的地址为:中断向量表地址 + 4 * n。

(5)硬中断和软中断的区别
软中断是执行中断指令产生的,而硬中断是由外设引发的。
硬中断的中断号是由中断控制器提供的,软中断的中断号由指令直接指出,无需使用中断控制器。
硬中断是可屏蔽的,软中断不可屏蔽。
硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务,这样程序执行时才不会等待较长时间,称为上半部。
软中断处理硬中断未完成的工作,是一种推后执行的机制,属于下半部。

开关函数

(1) 硬中断的开关
简单禁止和激活当前处理器上的本地中断:

local_irq_disable();
local_irq_enable();

保存本地中断系统状态下的禁止和激活:

unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
local_irq_restore(flags);

(2) 软中断的开关
禁止下半部,如softirq、tasklet和workqueue等:

local_bh_disable();
local_bh_enable();

需要注意的是,禁止下半部时仍然可以被硬中断抢占。

(3) 判断中断状态

#define in_interrupt() (irq_count()) // 是否处于中断状态(硬中断或软中断)
#define in_irq() (hardirq_count()) // 是否处于硬中断
#define in_softirq() (softirq_count()) // 是否处于软中断

硬中断 有关函数

(1) 注册中断处理函数
注册中断处理函数:

/** 
 * irq: 要分配的中断号 
 * handler: 要注册的中断处理函数 
 * flags: 标志(一般为0) 
 * name: 设备名(dev->name) 
 * dev: 设备(struct net_device *dev),作为中断处理函数的参数 
 * 成功返回0 
 */  
  
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,   
    const char *name, void *dev);  

中断处理函数本身:

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *);  
  
/** 
 * enum irqreturn 
 * @IRQ_NONE: interrupt was not from this device 
 * @IRQ_HANDLED: interrupt was handled by this device 
 * @IRQ_WAKE_THREAD: handler requests to wake the handler thread 
 */  
enum irqreturn {  
    IRQ_NONE,  
    IRQ_HANDLED,  
    IRQ_WAKE_THREAD,  
};  
typedef enum irqreturn irqreturn_t;  
#define IRQ_RETVAL(x) ((x) != IRQ_NONE)  

(2) 注销中断处理函数

/** 
 * free_irq - free an interrupt allocated with request_irq 
 * @irq: Interrupt line to free 
 * @dev_id: Device identity to free 
 * 
 * Remove an interrupt handler. The handler is removed and if the 
 * interrupt line is no longer in use by any driver it is disabled. 
 * On a shared IRQ the caller must ensure the interrupt is disabled 
 * on the card it drives before calling this function. The function does 
 * not return until any executing interrupts for this IRQ have completed. 
 * This function must not be called from interrupt context. 
 */  
  
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);  

软中断 有关函数

(1) 定义
软中断是一组静态定义的下半部接口,可以在所有处理器上同时执行,即使两个类型相同也可以。
但一个软中断不会抢占另一个软中断,唯一可以抢占软中断的是硬中断。

软中断由softirq_action结构体表示:

struct softirq_action {  
    void (*action) (struct softirq_action *); /* 软中断的处理函数 */  
}; 

目前已注册的软中断有10种,定义为一个全局数组:

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];  
  
enum {  
    HI_SOFTIRQ = 0, /* 优先级高的tasklets */  
    TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器的下半部 */  
    NET_TX_SOFTIRQ, /* 发送网络数据包 */  
    NET_RX_SOFTIRQ, /* 接收网络数据包 */  
    BLOCK_SOFTIRQ, /* BLOCK装置 */  
    BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,  
    TASKLET_SOFTIRQ, /* 正常优先级的tasklets */  
    SCHED_SOFTIRQ, /* 调度程序 */  
    HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高分辨率定时器 */  
    RCU_SOFTIRQ, /* RCU锁定 */  
    NR_SOFTIRQS /* 10 */  
};  

(2) 注册软中断处理函数

/** 
 * @nr: 软中断的索引号 
 * @action: 软中断的处理函数 
 */  
  
void open_softirq(int nr, void (*action) (struct softirq_action *))  
{  
    softirq_vec[nr].action = action;  
}  
例如:
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

(3) 触发软中断
调用raise_softirq()来触发软中断。

void raise_softirq(unsigned int nr)  
{  
    unsigned long flags;  
    local_irq_save(flags);  
    raise_softirq_irqoff(nr);  
    local_irq_restore(flags);  
}  
  
/* This function must run with irqs disabled */  
inline void rasie_softirq_irqsoff(unsigned int nr)  
{  
    __raise_softirq_irqoff(nr);  
  
    /* If we‘re in an interrupt or softirq, we‘re done 
     * (this also catches softirq-disabled code). We will 
     * actually run the softirq once we return from the irq 
     * or softirq. 
     * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we 
     * schedule the softirq soon. 
     */  
    if (! in_interrupt()) /* 如果不处于硬中断或软中断 */  
        wakeup_softirqd(void); /* 唤醒ksoftirqd/n进程 */  
}  

Percpu变量irq_cpustat_t中的__softirq_pending是等待处理的软中断的位图,通过设置此变量
即可告诉内核该执行哪些软中断。

static inline void __rasie_softirq_irqoff(unsigned int nr)  
{  
    trace_softirq_raise(nr);  
    or_softirq_pending(1UL << nr);  
}  
  
typedef struct {  
    unsigned int __softirq_pending;  
    unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */  
} irq_cpustat_t;  
  
irq_cpustat_t irq_stat[];  
#define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)  
#define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))  
#define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)  

唤醒ksoftirqd内核线程处理软中断。

static void wakeup_softirqd(void)  
{  
    /* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */  
    struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);  
  
    if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)  
        wake_up_process(tsk);  
}  

在下列地方,待处理的软中断会被检查和执行:

1. 从一个硬件中断代码处返回时
2. 在ksoftirqd内核线程中
3. 在那些显示检查和执行待处理的软中断的代码中,如网络子系统中

而不管是用什么方法唤起,软中断都要在do_softirq()中执行。如果有待处理的软中断,
do_softirq()会循环遍历每一个,调用它们的相应的处理程序。
在中断处理程序中触发软中断是最常见的形式。中断处理程序执行硬件设备的相关操作,
然后触发相应的软中断,最后退出。内核在执行完中断处理程序以后,马上就会调用
do_softirq(),于是软中断开始执行中断处理程序完成剩余的任务。

下面来看下do_softirq()的具体实现。

asmlinkage void do_softirq(void)  
{  
    __u32 pending;  
    unsigned long flags;  
  
    /* 如果当前已处于硬中断或软中断中,直接返回 */  
    if (in_interrupt())   
        return;  
  
    local_irq_save(flags);  
    pending = local_softirq_pending();  
    if (pending) /* 如果有激活的软中断 */  
        __do_softirq(); /* 处理函数 */  
    local_irq_restore(flags);  
}  

/* We restart softirq processing MAX_SOFTIRQ_RESTART times, 
 * and we fall back to softirqd after that. 
 * This number has been established via experimentation. 
 * The two things to balance is latency against fairness - we want 
 * to handle softirqs as soon as possible, but they should not be 
 * able to lock up the box. 
 */  
asmlinkage void __do_softirq(void)  
{  
    struct softirq_action *h;  
    __u32 pending;  
    /* 本函数能重复触发执行的次数,防止占用过多的cpu时间 */  
    int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;  
    int cpu;  
  
    pending = local_softirq_pending(); /* 激活的软中断位图 */  
    account_system_vtime(current);  
    /* 本地禁止当前的软中断 */  
    __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0), SOFTIRQ_OFFSET);  
    lockdep_softirq_enter(); /* current->softirq_context++ */  
    cpu = smp_processor_id(); /* 当前cpu编号 */  
  
restart:  
    /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */  
    set_softirq_pending(0); /* 重置位图 */  
    local_irq_enable();  
    h = softirq_vec;  
    do {  
        if (pending & 1) {  
            unsigned int vec_nr = h - softirq_vec; /* 软中断索引 */  
            int prev_count = preempt_count();  
            kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);  
  
            trace_softirq_entry(vec_nr);  
            h->action(h); /* 调用软中断的处理函数 */  
            trace_softirq_exit(vec_nr);  
  
            if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {  
                printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p" "with preempt_count %08x,"  
                    "exited with %08x?
", vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action, prev_count,  
                    preempt_count());  
            }  
            rcu_bh_qs(cpu);  
        }  
        h++;  
        pending >>= 1;  
    } while(pending);  
  
    local_irq_disable();  
    pending = local_softirq_pending();  
    if (pending & --max_restart) /* 重复触发 */  
        goto restart;  
  
    /* 如果重复触发了10次了,接下来唤醒ksoftirqd/n内核线程来处理 */  
    if (pending)  
        wakeup_softirqd();   
  
    lockdep_softirq_exit();  
    account_system_vtime(current);  
    __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);  
}  

(4) ksoftirqd内核线程
内核不会立即处理重新触发的软中断。
当大量软中断出现的时候,内核会唤醒一组内核线程来处理。
这些线程的优先级最低(nice值为19),这能避免它们跟其它重要的任务抢夺资源。
但它们最终肯定会被执行,所以这个折中的方案能够保证在软中断很多时用户程序不会
因为得不到处理时间而处于饥饿状态,同时也保证过量的软中断最终会得到处理。

每个处理器都有一个这样的线程,名字为ksoftirqd/n,n为处理器的编号。

static int run_ksoftirqd(void *__bind_cpu)  
{  
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
    current->flags |= PF_KSOFTIRQD; /* I am ksoftirqd */  
  
    while(! kthread_should_stop()) {  
        preempt_disable();  
  
        if (! local_softirq_pending()) { /* 如果没有要处理的软中断 */  
            preempt_enable_no_resched();  
            schedule();  
            preempt_disable():  
        }  
  
        __set_current_state(TASK_RUNNING);  
  
        while(local_softirq_pending()) {  
            /* Preempt disable stops cpu going offline. 
             * If already offline, we‘ll be on wrong CPU: don‘t process. 
             */  
             if (cpu_is_offline(long)__bind_cpu))/* 被要求释放cpu */  
                 goto wait_to_die;  
  
            do_softirq(); /* 软中断的统一处理函数 */  
  
            preempt_enable_no_resched();  
            cond_resched();  
            preempt_disable();  
            rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);  
        }  
  
        preempt_enable();  
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
    }  
  
    __set_current_state(TASK_RUNNING);  
    return 0;  
  
wait_to_die:  
    preempt_enable();  
    /* Wait for kthread_stop */  
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
    while(! kthread_should_stop()) {  
        schedule();  
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
    }  
  
    __set_current_state(TASK_RUNNING);  
    return 0;  
}