硬中断和软中断(转)

Posted 2020-08-02 悟寰轩-叶秋

来自：http://blog.csdn.net/zhangskd/article/details/21992933

 

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。

 

(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

 

(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

 

(1) 注册中断处理函数

注册中断处理函数：

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1. /** 
2.  * irq: 要分配的中断号 
3.  * handler: 要注册的中断处理函数 
4.  * flags: 标志(一般为0) 
5.  * name: 设备名(dev->name) 
6.  * dev: 设备(struct net_device *dev)，作为中断处理函数的参数 
7.  * 成功返回0 
8.  */  
9.   
10. int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,   
11.     const char *name, void *dev);  

 

中断处理函数本身：

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1. typedef irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *);  
2.   
3. /** 
4.  * enum irqreturn 
5.  * @IRQ_NONE: interrupt was not from this device 
6.  * @IRQ_HANDLED: interrupt was handled by this device 
7.  * @IRQ_WAKE_THREAD: handler requests to wake the handler thread 
8.  */  
9. enum irqreturn {  
10.     IRQ_NONE,  
11.     IRQ_HANDLED,  
12.     IRQ_WAKE_THREAD,  
13. };  
14. typedef enum irqreturn irqreturn_t;  
15. #define IRQ_RETVAL(x) ((x) != IRQ_NONE)  

 

(2) 注销中断处理函数

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1. /** 
2.  * free_irq - free an interrupt allocated with request_irq 
3.  * @irq: Interrupt line to free 
4.  * @dev_id: Device identity to free 
5.  * 
6.  * Remove an interrupt handler. The handler is removed and if the 
7.  * interrupt line is no longer in use by any driver it is disabled. 
8.  * On a shared IRQ the caller must ensure the interrupt is disabled 
9.  * on the card it drives before calling this function. The function does 
10.  * not return until any executing interrupts for this IRQ have completed. 
11.  * This function must not be called from interrupt context. 
12.  */  
13.   
14. void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);  

 

软中断

 

(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：

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1. struct softirq_action {  
2.     void (*action) (struct softirq_action *); /* 软中断的处理函数 */  
3. };  

 

目前已注册的软中断有10种，定义为一个全局数组：

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1. static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];  
2.   
3. enum {  
4.     HI_SOFTIRQ = 0, /* 优先级高的tasklets */  
5.     TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器的下半部 */  
6.     NET_TX_SOFTIRQ, /* 发送网络数据包 */  
7.     NET_RX_SOFTIRQ, /* 接收网络数据包 */  
8.     BLOCK_SOFTIRQ, /* BLOCK装置 */  
9.     BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,  
10.     TASKLET_SOFTIRQ, /* 正常优先级的tasklets */  
11.     SCHED_SOFTIRQ, /* 调度程序 */  
12.     HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高分辨率定时器 */  
13.     RCU_SOFTIRQ, /* RCU锁定 */  
14.     NR_SOFTIRQS /* 10 */  
15. };  

 

(2) 注册软中断处理函数

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1. /** 
2.  * @nr: 软中断的索引号 
3.  * @action: 软中断的处理函数 
4.  */  
5.   
6. void open_softirq(int nr, void (*action) (struct softirq_action *))  
7. {  
8.     softirq_vec[nr].action = action;  
9. }  

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。

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1. void raise_softirq(unsigned int nr)  
2. {  
3.     unsigned long flags;  
4.     local_irq_save(flags);  
5.     raise_softirq_irqoff(nr);  
6.     local_irq_restore(flags);  
7. }  
8.   
9. /* This function must run with irqs disabled */  
10. inline void rasie_softirq_irqsoff(unsigned int nr)  
11. {  
12.     __raise_softirq_irqoff(nr);  
13.   
14.     /* If we‘re in an interrupt or softirq, we‘re done 
15.      * (this also catches softirq-disabled code). We will 
16.      * actually run the softirq once we return from the irq 
17.      * or softirq. 
18.      * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we 
19.      * schedule the softirq soon. 
20.      */  
21.     if (! in_interrupt()) /* 如果不处于硬中断或软中断 */  
22.         wakeup_softirqd(void); /* 唤醒ksoftirqd/n进程 */  
23. }  

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。

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1. static inline void __rasie_softirq_irqoff(unsigned int nr)  
2. {  
3.     trace_softirq_raise(nr);  
4.     or_softirq_pending(1UL << nr);  
5. }  
6.   
7. typedef struct {  
8.     unsigned int __softirq_pending;  
9.     unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */  
10. } irq_cpustat_t;  
11.   
12. irq_cpustat_t irq_stat[];  
13. #define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)  
14. #define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))  
15. #define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)  

 

唤醒ksoftirqd内核线程处理软中断。

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1. static void wakeup_softirqd(void)  
2. {  
3.     /* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */  
4.     struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);  
5.   
6.     if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)  
7.         wake_up_process(tsk);  
8. }  

 

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。

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1. asmlinkage void do_softirq(void)  
2. {  
3.     __u32 pending;  
4.     unsigned long flags;  
5.   
6.     /* 如果当前已处于硬中断或软中断中，直接返回 */  
7.     if (in_interrupt())   
8.         return;  
9.   
10.     local_irq_save(flags);  
11.     pending = local_softirq_pending();  
12.     if (pending) /* 如果有激活的软中断 */  
13.         __do_softirq(); /* 处理函数 */  
14.     local_irq_restore(flags);  
15. }  

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1. /* We restart softirq processing MAX_SOFTIRQ_RESTART times, 
2.  * and we fall back to softirqd after that. 
3.  * This number has been established via experimentation. 
4.  * The two things to balance is latency against fairness - we want 
5.  * to handle softirqs as soon as possible, but they should not be 
6.  * able to lock up the box. 
7.  */  
8. asmlinkage void __do_softirq(void)  
9. {  
10.     struct softirq_action *h;  
11.     __u32 pending;  
12.     /* 本函数能重复触发执行的次数，防止占用过多的cpu时间 */  
13.     int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;  
14.     int cpu;  
15.   
16.     pending = local_softirq_pending(); /* 激活的软中断位图 */  
17.     account_system_vtime(current);  
18.     /* 本地禁止当前的软中断 */  
19.     __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0), SOFTIRQ_OFFSET);  
20.     lockdep_softirq_enter(); /* current->softirq_context++ */  
21.     cpu = smp_processor_id(); /* 当前cpu编号 */  
22.   
23. restart:  
24.     /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */  
25.     set_softirq_pending(0); /* 重置位图 */  
26.     local_irq_enable();  
27.     h = softirq_vec;  
28.     do {  
29.         if (pending & 1) {  
30.             unsigned int vec_nr = h - softirq_vec; /* 软中断索引 */  
31.             int prev_count = preempt_count();  
32.             kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);  
33.   
34.             trace_softirq_entry(vec_nr);  
35.             h->action(h); /* 调用软中断的处理函数 */  
36.             trace_softirq_exit(vec_nr);  
37.   
38.             if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {  
39.                 printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p" "with preempt_count %08x,"  
40.                     "exited with %08x?\n", vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action, prev_count,  
41.                     preempt_count());  
42.             }  
43.             rcu_bh_qs(cpu);  
44.         }  
45.         h++;  
46.         pending >>= 1;  
47.     } while(pending);  
48.   
49.     local_irq_disable();  
50.     pending = local_softirq_pending();  
51.     if (pending & --max_restart) /* 重复触发 */  
52.         goto restart;  
53.   
54.     /* 如果重复触发了10次了，接下来唤醒ksoftirqd/n内核线程来处理 */  
55.     if (pending)  
56.         wakeup_softirqd();   
57.   
58.     lockdep_softirq_exit();  
59.     account_system_vtime(current);  
60.     __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);  
61. }  

 

(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。

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1. static int run_ksoftirqd(void *__bind_cpu)  
2. {  
3.     set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
4.     current->flags |= PF_KSOFTIRQD; /* I am ksoftirqd */  
5.   
6.     while(! kthread_should_stop()) {  
7.         preempt_disable();  
8.   
9.         if (! local_softirq_pending()) { /* 如果没有要处理的软中断 */  
10.             preempt_enable_no_resched();  
11.             schedule();  
12.             preempt_disable():  
13.         }  
14.   
15.         __set_current_state(TASK_RUNNING);  
16.   
17.         while(local_softirq_pending()) {  
18.             /* Preempt disable stops cpu going offline. 
19.              * If already offline, we‘ll be on wrong CPU: don‘t process. 
20.              */  
21.              if (cpu_is_offline(long)__bind_cpu))/* 被要求释放cpu */  
22.                  goto wait_to_die;  
23.   
24.             do_softirq(); /* 软中断的统一处理函数 */  
25.   
26.             preempt_enable_no_resched();  
27.             cond_resched();  
28.             preempt_disable();  
29.             rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);  
30.         }  
31.   
32.         preempt_enable();  
33.         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
34.     }  
35.   
36.     __set_current_state(TASK_RUNNING);  
37.     return 0;  
38.   
39. wait_to_die:  
40.     preempt_enable();  
41.     /* Wait for kthread_stop */  
42.     set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
43.     while(! kthread_should_stop()) {  
44.         schedule();  
45.         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
46.     }  
47.   
48.     __set_current_state(TASK_RUNNING);  
49.     return 0;