Linux Kernel Interrupt 分析

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#arm架构 #linux

于 2017-06-14 16:32:52 首次发布

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本文深入解析Linux内核中的中断机制，包括中断入口、中断调用流程及中断服务程序的注册等核心内容。

在之前接触单片机时就接触到了中断这一个名词，简单理解，在CPU正常运行程序A时，突然插入了程序B，程序B就可以理解为一个中断。在linux kernel中也提供中断机制，用于处理上述突发事件。
一、中断入口
在linux kernel亦有异常向量表，以linux-2.6.32.50中的ARM架构为例，在arch/arm/kernel/entry-armv.S中存在如下的异常向量表。

 __vectors_start:
  ARM(   swi SYS_ERROR0  )
  THUMB( svc #0      )
  THUMB( nop         )
     W(b)    vector_und + stubs_offset
     W(ldr)  pc, .LCvswi + stubs_offset
     W(b)    vector_pabt + stubs_offset
     W(b)    vector_dabt + stubs_offset
     W(b)    vector_addrexcptn + stubs_offset
     W(b)    vector_irq + stubs_offset
     W(b)    vector_fiq + stubs_offset

     .globl  __vectors_end
 __vectors_end:

当中断产生，将进入vector_irq 中进行中断处理，对应的代码如下，其中，vector_stub为宏定义。

/*
  * Interrupt dispatcher
  */
     vector_stub irq, IRQ_MODE, 4

     .long   __irq_usr           @  0  (USR_26 / USR_32)
     .long   __irq_invalid           @  1  (FIQ_26 / FIQ_32)
     .long   __irq_invalid           @  2  (IRQ_26 / IRQ_32)
     .long   __irq_svc           @  3  (SVC_26 / SVC_32)
     .long   __irq_invalid           @  4
     .long   __irq_invalid           @  5
     .long   __irq_invalid           @  6
     .long   __irq_invalid           @  7
     .long   __irq_invalid           @  8
     .long   __irq_invalid           @  9
     .long   __irq_invalid           @  a
     .long   __irq_invalid           @  b
     .long   __irq_invalid           @  c
     .long   __irq_invalid           @  d
     .long   __irq_invalid           @  e
     .long   __irq_invalid           @  f

对于管理模式与用户模式中发生的中断，其对应的处理函数不同，分别为__irq_svc与__irq_usr。

二、中断的调用过程
以__irq_usr为例。
__irq_usr => irq_handler => asm_do_IRQ => generic_handle_irq(irq) => generic_handle_irq_desc() => __do_IRQ(irq) => handle_IRQ_event()

370 irqreturn_t handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct irqaction *action)
371 {
372     irqreturn_t ret, retval = IRQ_NONE;
373     unsigned int status = 0;
374
375     if (!(action->flags & IRQF_DISABLED))
376         local_irq_enable_in_hardirq();
377
378     do {
379         trace_irq_handler_entry(irq, action);
380         ret = action->handler(irq, action->dev_id);
381         trace_irq_handler_exit(irq, action, ret);
382
383         switch (ret) {
384         case IRQ_WAKE_THREAD:
389             ret = IRQ_HANDLED;
395             if (unlikely(!action->thread_fn)) {
396                 warn_no_thread(irq, action);
397                 break;
398             }
399
408             if (likely(!test_bit(IRQTF_DIED,
409                          &action->thread_flags))) {
410                 set_bit(IRQTF_RUNTHREAD, &action->thread_flags);
411                 wake_up_process(action->thread);
412             }
413
414             /* Fall through to add to randomness */
415         case IRQ_HANDLED:
416             status |= action->flags;
417             break;
418
419         default:
420             break;
421         }
422
423         retval |= ret;
424         action = action->next;
425     } while (action);
426
427     if (status & IRQF_SAMPLE_RANDOM)
428         add_interrupt_randomness(irq);
429     local_irq_disable();
430
431     return retval;
432 }

代码中380行执行中断服务程序，该中断服务程序是由我们编写并且注册系统中。通过这样的一个过程，完成了对外部硬件中断的响应。

三、中断服务程序注册
linux kernel中提供了一组函数用于完成对中断服务程序的注册与释放，request_irq()与free_irq()。

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

该函数有五个参数，其说明如下：
irq—要分配的设备号
handler—指向实际的中断服务程序的函数指针

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

flags—中断处理程序的标志。定义在include/linux/interrupt.h
name—中断名
dev—用于共享中断线，是handler的参数。如果不用共享中断线，该参数可设为NULL
中断服务程序的注册过程如下：
request_irq() => request_threaded_irq()

1028 int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
1029              irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,
1030              const char *devname, void *dev_id)
1031 {
1032     struct irqaction *action;
1033     struct irq_desc *desc;
1034     int retval;
1035
......
1081     action->handler = handler;
1082     action->thread_fn = thread_fn;
1083     action->flags = irqflags;
1084     action->name = devname;
1085     action->dev_id = dev_id;
1086
1087     chip_bus_lock(irq, desc);
1088     retval = __setup_irq(irq, desc, action);
1089     chip_bus_sync_unlock(irq, desc);
1090
......
1093
1113     return retval;
1114 }

在代码1081行中，中断服务程序handler的地址被保存在action的handler成员中。结合前面跟踪的中断调用流程，在将来中断产生，将执行我们通过request_irq注册的中断服务程序。

一般来说，我们在驱动程序中的init函数中调用request_irq()，将我们编写的中断服务程序handler注册到系统中；当中断产生后，系统经过一系列的调用，最终将会执行我们的中断服务程序handler，完成对中断的响应。
在驱动程序的exit函数中调用free_irq()，将注册到系统中的中断服务程序handler移除。