Linux驱动开发学习笔记（三）中断处理（系统）

三个名词：

• 中断处理程序（interrupt handle）

• 中断服务例程（interrupt service routine，ISR）

• 设备驱动程序（driver）

一个中断处理程序，一般分为两部分，上部分（top half）和下（底）半部（bottom half）。

为什么要这么分呢？

当一个中断触发请求后，中断处理程序会被调用，内核为了防止re-entrance（重入）问题，会禁止所有处理器（all processors）中对应中断线（IRQ line）——相当于屏蔽中断。而且在中断上下文中，也就是进行中断处理程序（interrupt handle）时，内核会禁止当前CPU的调度（preemption）。

When writing the interrupt handler, you don’t have to worry about re-entrance, since the IRQ line serviced is disabled on all processors by the kernel in order to avoid recursive interrupts.

为了在中断处理期间尽量不要错过中断信号，就应该尽快完成中断处理。于是乎，内核就引入了下半部（halves），将大部分耗时工作推迟到下半部去，在合适的时机下半部会被执行。这样还有一个好处就是可以让中断处理程序不会长时间禁止抢占，让CPU可以及时调度其它中断处理程序，降低整个系统的延时。

上下部

不仅中断处理程序可以分为上下部，其它的程序也可以有这个设计思想。也就是说，把程序分割成两部分，第一部主要处理比较紧急的任务，将耗时的任务推迟到第二部分去执行。

第二部分一般采用内核的延迟任务机制（work-deferring mechanism）来实现，包括以下四种：

1. Softirqs（interrupt context）
2. Tasklets（interrupt context）
3. Workqueues（process context）
4. Threaded IRQs（process context）

前两个工作在中断上下文中，因此无法被抢占。而后面两个工作在进程上下文中，可以被抢占。

后面两个可以通过设置 CONFIG_PREEMPT或CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY参数改变抢占机制，不过会影响整个系统。

Softirqs

软中断是内核一种用于推迟任务执行的机制（deferring mechanism），一般用在如网络设备和块设备，这样需要快速及时进行处理的驱动程序上。

内核使用Ksoftirqds线程来负责对软中断的调度执行，当有大量软中断到来时，它们会被堆积在一个队列上面，由Ksoftirqds负责进行调度，每个CPU都会有一个Ksoftirqds线程，它们以ksoftirqd/n的方式命名（n为第n个CPU）。

软中断在平时不常用，一般都是使用Tasklets就足够了。

Tasklets

Tasklets是软中断的一种实现方式，内核中的软中断能支持32个，由一个struct softirq_action结构体来描述每一个软中断，在kernel/softirq.c中定义了一个包含32个这样结构体的数组static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS]，而Tasklet占其中的两个，分别为HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ，前者用于高优先级的Tasklets，后者用于正常的Tasklets。

内核使用struct tasklet_struct结构体来描述一个tasklet。

struct tasklet_struct
{
    struct tasklet_struct *next;
    unsigned long state;
    atomic_t count;
    void (*func)(unsigned long);
    unsigned long data;
};

正常情况下Tasklets是不可重入的（not re-entrant），除非是这个Tasklets本身可以被中断，然后重新调度自己。

“Code is called reentrant if it can be interrupted anywhere in the middle of its execution, and then be safely called again. ”

同一个Tasklets只能够运行在某个CPU上面，不能同时运行在多个CPU上，不同的Tasklets可以同时运行在不同的CPU上。

前面提到Tasklets的两种调度方式，分别对应于正常的和高优先级的。

void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_hi_schedule(struct tasklet_struct *t);

一般情况下，使用正常优先级的就够了，高优先级会比正常优先级先执行，频繁使用高优先级调度可能会造成整个系统的延迟。

High priority tasklets are always executed before normal ones. Abusive use of high priority tasks will increase system latency. Only use them for really quick stuff.

Workqueues

这是一种最常用的延迟任务机制（work-deferring mechanism），它工作在进程上下文中，如果需要在下半部进行休眠就可以考虑使用work queues来实现。

work queues是在内核线程（kernel threads）的基础上实现的，在内核中有两种work queues：

• shared work queue：由内核中默认的一组全局线程进行处理，在每一个CPU上都有一个这样的线程（类似于软中断的ksoftirqd）。这些线程用events/n进行命名。

• dedicated kernel thread：这种工作队列会创建自己的内核线程——dedicated kernel thread，根据创建方式不同，会产生不同数量的线程，这些线程会绑定到某个CPU上。

  “run the work queue in a dedicated kernel thread. It means whenever your work queue handler needs to be executed, your kernel thread is woken up to handle it"

  使用create_workqueue()进行创建时，会在每个CPU上创建一个内核线程，并绑定到对应CPU上。

  使用create_singlethread_workqueue()进行创建时，只会创建一个内核线程，绑定到当前CPU上。

Threaded IRQs

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)

这个下半部会在一个专用内核线程（dedicated kernel thread）中执行 。

• irq_handler_t handler：这个代表的中断处理函数，和request_irq中的类似，负责上半部的中断处理，运行在中断上下文中。
• irq_handler_t thread_fn：这个代表下半部的处理函数，当上半部返回值为 IRQ_WAKE_THREAD 时，内核的线程会关联这个函数，然后在合适时机进行执行。

不同上面几种方式，使用Threaded IRQs时，我们不需要自己进行显示的调度，由内核自动帮我们调度。

可以通过使用IRQF_ONESHOT标志，一直屏蔽中断直到下半部分执行完后，再打开中断。

if for any reason you need the IRQ line not to be re-enabled after the top half, and to remain disabled until the threaded handler has been run, you should request the threaded IRQ with the flag IRQF_ONESHOT enabled (by just doing an OR operation).

中断处理程序流程

1. 一般我们会在驱动程序的init函数中，进行中断的注册：

   int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
                   unsigned long flags, const char *name, void *dev)
   /* 或者使用request_threaded_irq方式 */
   

2. 当中断线irq上有信号到达时，会经过下面的流程最终调用我们在request_irq()指明的中断处理函数handler。
   

3. 我们在中断处理程序（函数）中快速完成上半部的处理，然后通过使用deferring mechanism机制，将耗时操作推迟到下半部去执行。

4. 最终在下半部完成全部的中断处理。