linux内核中断

Posted 2023-02-20 为了维护世界和平_

目录

硬中断特点

中断API

线程中断

系统标准的优先级顺序

中断信息查看

中断上半部与下半部

软中断与并发

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硬中断特点

• 优先级最高
• 中断函数在中断上下文中，不能阻塞

        不要间接或直接调用shedule()

        在申请内存空间时，使用GFP_ATOMIC 标志（非阻塞，尽可能快）；

        不能在用户与内核空间传递数据

• 中断屏蔽：

        默认情况下，在中断函数处理时，所有的本地CPU的中断是被屏蔽的

• 尽可能的快

        几十微妙内，如果超过则使用中断下半部

下面这块程序存在的问题

my_interrupt()

	struct mys *sp;
	ack_intr();
	x = read_regX();
	sp = kzalloc(SIZE_HWBUF, GFP_KERNEL);
	if (!sp)
		return -ENOMEM;
	sp = fetch_data_from_hw();
	copy_to_user(ubuf, sp, count);
	kfree(sp);

1. kzalloc() 使用GFP_KERNEL标志，可能引起调用schedule()，内核会输出oops错误；
2. copy_to_user()调用可能会引起页错误，引起上下文切换，触发schedule()
3. 更一般的错误,a函数最终调用了schedule(),将会引起oops错误。a()--b()--c()--[] --g() --schedule()--[]

中断API

request_irq()
devm_request_irq()


*free_irq(unsigned int, void *);

详细分析request_irq函数的参数 

#include <linux/interrupt.h>
int __must_check
request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t (*handler_func)(int, void *),
unsigned long flags, const char *name, void *dev);

• 头文件 #include <linux/interrupt.h>
• irq：中断线
• irq_handler_t：中断处理函数
• flag：中断标志bitmask，中断标志在下节介绍
• name:驱动名
• *dev：给中断函数传递参数

中断标志

• IRQF_SHARED：在几个设备中间允许共享IRQ线
• IRQF_ONESHOT：经常用在线程中断中，以确保IRQ在线程处理程序完成之前保持禁用状态；
• __IRQF_TIMER：定时器中断 ，定时器中断标志组合如下

#define IRQF_TIMER(__IRQF_TIMER | IRQF_NO_SUSPEND | IRQF_NO_THREAD)

触发方式

• Level-triggered：中断在没有得到响应之前，一直触发。
• Edge-triggered：中断仅仅触发一次

中断掩码

        芯片的中断控制器（PIC/GIC）有掩码寄存器，操作系统能够通过编程屏蔽或阻塞硬件中断。

1. 尽可能的保持中断使能，这对于系统至关重要。如果中断被阻塞，外设不能响应，系统性能滞后或许受此影响。使用自旋锁锁定将导致中断和抢占被禁用。
2. Linux系统的默认行为，发生硬件中断且该中断未被屏蔽时，内核确保在其中断（hardirq）处理程序执行时，本地CPU内核上执行处理程序的所有中断都被禁用。
3. 多核系统上的中断：当IRQn在CPU内核1上执行时，除内核1外，其他中断在所有CPU内核上保持启用。因此，在多核系统硬件上，中断可以在不同的CPU内核上并行运行。就全局数据而言，只要他们互不干涉，这就没问题！如果有竞争，就必须使用锁定。 

线程中断

//线程中断
request_threaded_irq()
devm_request_threaded_irq() (recommended!)

内核线程与用户模式线程非常相似，它在进程上下文中独立运行，并有自己的任务结构，能够被调度。

• 实现正在的实时
• 消除软中断的瓶颈：

消除的瓶颈如何理解？

• 线程中断运行在进程上下文中，，它被认为不像hardirq处理程序那样重要；因此，中断处理可能需要更长的时间。
• 当硬中断执行时，中断IRQ line 在所有核上都禁止。如果执行到完成需要一段时间，那么系统的响应可能会显著下降；而线程处理程序执行时，默认启用硬件IRQ line。这有助于提高性能和响应能力。

线程处理程序的限制

• IRQF_ONESHOT 必须要存在
• 在处理NIC，多媒体等时处理速度会很慢，建议使用top/bottom机制

系统标准的优先级顺序

• 硬件中断 （抢占了一切资源）
• 实时线程（SCHED_FIFO.  SCHED_RR）
• 处理器异常（系统调用，缺页异常等）
• 用户模式线程(SCHED_OTHER)

如何判定选择硬中断还是线程中断？

内核提供了request_any_context_irq，根据特定情况，它将把中断处理程序设置为hardirq处理程序或线程处理程序。

int __must_check
request_any_context_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
unsigned long flags, const char *name, void *dev_id);

返回值

•         如果运行在硬中断上下文，返回IRQC_IS_HARDIRQ;
•         如果运行在进程或线程环境中，返回IRQC_IS_NESTED;
•         返回负数，代表执行错误 

中断信息查看

查看硬中断

# cat /proc/interrupts 
            CPU0       CPU1       CPU2       CPU3       
   0:         24          0          0          0   IO-APIC    2-edge      timer
   1:      15354       5040      12673       1046   IO-APIC    1-edge      i8042
   8:          0          1          0          0   IO-APIC    8-edge      rtc0
   9:          0          0          0          0   IO-APIC    9-fasteoi   acpi
  12:          0      58896      51200      29989   IO-APIC   12-edge      i8042
  14:          0          0          0          0   IO-APIC   14-edge      ata_piix
  15:          0          0          0          0   IO-APIC   15-edge      ata_piix
  16:          0     122949          0        289   IO-APIC   16-fasteoi   vmwgfx, snd_ens1371
  17:      37934          0          0          0   IO-APIC   17-fasteoi   ehci_hcd:usb1, ioc0
  18:          0         41          0          0   IO-APIC   18-fasteoi   uhci_hcd:usb2
  19:          0          0         67      31218   IO-APIC   19-fasteoi   ens33

查看软中断 

# cat /proc/softirqs 
                    CPU0       CPU1       CPU2       CPU3       
          HI:          0          0          0          0
       TIMER:       8700       9001       8961      10715
      NET_TX:         12          3          2          2
      NET_RX:         76          7          7          3
       BLOCK:       2642          0          0          0
    IRQ_POLL:          0          0          0          0
     TASKLET:          0          0          1          0
       SCHED:       5516       4294       3979       3572
     HRTIMER:          0          0          0          0
         RCU:       6481       7745       9292       7009

使用线程中断处理是现代的一种方式，使用下半部机制是传统的方法。

中断上半部与下半部

中断上半部处理比较快的程序，如执行纯粹小的需求，中断处于关闭状态；

下半部处理相对较慢的处理程序，也是大部分中断工作；中断使能状态；

上半部的函数有：

                request_irq() / devm_request_irq() / request_threaded_irq() /
devm_request_threaded_irq()

下半部的函数：

                tasklet,workqueue,softirq

下半部分仍然在原子或中断上下文中运行！

• 不能传输数据（用户和内核空间）;
• 分配内存要使用GFP_ATOMIC;
• 不能直接间接调用schedule();

tasklet

#include <linux/interrupt.h>
void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void (*func)(unsigned long),
unsigned long data);

void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);

/ * 下半部的处理 */
static void mydrv_tasklet(unsigned long data)


	process_it(); // 中断的绝大多数处理

/*上半部处理 */
static irqreturn_t my_hardirq_handler(int irq, void *data)

	tasklet_schedule(ts);//调度tasklet执行
	return IRQ_HANDLED;



static struct tasklet_struct *ts;

static int __init mydriver_init(void)

	struct device *dev;

	/* misc设备注册*/	
	ret = misc_register(&keylog_miscdev);
	dev = keylog_miscdev.this_device;
	//申请内存
	ts = devm_kzalloc(dev, sizeof(struct tasklet_struct), GFP_KERNEL);

	//tasklet初始化，并注册回调函数
	tasklet_init(ts, mydrv_tasklet, 0);

	//申请中断 中断处理函数my_hardirq_handler
	ret = devm_request_irq(dev, MYDRV_IRQ, my_hardirq_handler,
				IRQF_SHARED, OURMODNAME, THIS_MODULE);

tasklet_hi_schedule()相比tasklet_schedule()有更高的软中断优先级。

softirq

// kernel/softirq.c
void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))

    softirq_vec[nr].action = action;

软中断类型以及解释

优先级序号	Softirq	说明	函数
0	HI_SOFTIRQ	最高的软件优先级	tasklet_hi_action()
1	TIMER_SOFTIRQ	定时器	run_timer_softirq()
2	NET_TX_SOFTIRQ	网络栈发送	net_tx_action()
3	NET_RX_SOFTIRQ	网络栈接收	net_rx_action()
4	BLOCK_SOFTIRQ	Block进程	blk_done_softirq()
5	IRQ_POLL_SOFTIRQ	内核的块层轮询IRQ模式	irq_poll_softirq()
6	TASKLET_SOFTIRQ	tasklet下半部	tasklet_action()
7	SCHED_SOFTIRQ	CFS调度；将任务迁移到其他队列	run_rebalance_domains()
8	HRTIMER_SOFTIRQ	高精度定时器	hrtimer_run_softrq()

9

RCU_SOFTIRQ

执行RCU进程

rcu_core_si()/ rcu_process_callbacks()

软中断与并发

• tasklet 不能并发执行；softirq可以并发执行，因此需要锁；
• 软中断能被硬中断打断；
• 软中断不能抢占正在执行的软中断，虽然有更优的优先级，必须安装优先级使用；
• spin_lock_bh()，当被锁住的时候，禁止软中断；防止死锁

硬中断，tasklet与线程处理函数的比较

时间	使用	优缺点
<=10微妙	hardirq	最佳方案
[10,100]微妙	hardirq或hardirq与tasklet(softirq)	运行压力测试/工作负载，看看是否真的需要tasklet。对于线程处理程序或工作队列，不鼓励使用
100毫秒，非关键的设备	hardirq，threaded handler, workqueue	避免softirq处理，这有助于减少系统延迟，但可能导致处理速度稍慢
100毫秒，关键设备（网络、块、媒体设备）	hardirq,tasklet	当大量中断到来时，可能会导致“livelock”问题和长时间的延迟
100毫秒，极其关键的工作或设备	hardirq,hi-tasklet,softirq	相当极端，不太可能情况

大量未执行的softirq可能导致livelock的情况，以下两种方式缓解了这个问题

• 线程中断或工作队列
• 调用ksoftirqd/n内核线程来接管softirq处理

上述的两个例子运行在进程上下文，缓解了线程不足的问题。

如何知道程序处在进程或中断上下文中? 内核源码中有函数

// include/linux/preempt.h
/*
* Are we doing bottom half or hardware interrupt processing?
*
* in_irq() - We're in (hard) IRQ context
* in_softirq() - We have BH disabled, or are processing softirqs
* in_interrupt() - We're in NMI,IRQ,SoftIRQ context or have BH disabled
* in_serving_softirq() - We're in softirq context
* in_nmi() - We're in NMI context
* in_task() - We're in task context

 参考

埃梯零声-零声教育