linux内核设计与实现（第八章）----中断下半部的处理_linux内核中的中断下半部处理-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/laoyuliang/article/details/9255037

在前一章节已经提及过中断会分成上下两部分，是由于中断对时限的要求非常高，需要尽快的响应硬件。

主要内容

中断下半部处理
实现中断下半部的机制
总结中断下半部的实现
中断实现实例

1 中断下半部处理

那么对于一个中断，如何划分上下两部分呢？哪些处理放在上半部，哪些处理放在下半部？

这里有一些经验可供借鉴：

如果一个任务对时间十分敏感，将其放在上半部
如果一个任务和硬件有关，将其放在上半部
如果一个任务要保证不被其他中断打断，将其放在上半部
其他所有任务，考虑放在下半部

2 实现中断下半部的机制

实现下半部的方法很多，随着内核的发展，产生了一些新的方法，也淘汰了一些旧方法。

目前使用最多的是以下3中方法

2.1 软中断
2.2 tasklet
2.3 工作队列

2.1 软中断

软中断的代码在：kernel/softirq.c

软中断的流程如下：

流程图中几个步骤的说明：

① 注册软中断的函数 open_softirq参见 kernel/softirq.c文件)

/* 
 * 将软中断类型和软中断处理函数加入到软中断序列中
 * @nr                                 - 软中断类型
 * @(*action)(struct softirq_action *) - 软中断处理的函数指针
 */
void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
    /* softirq_vec是个struct softirq_action类型的数组 */
    softirq_vec[nr].action = action;
}

软中断类型目前有10个，其定义在 include/linux/interrupt.h 文件中：

enum
{
    HI_SOFTIRQ=0,
    TIMER_SOFTIRQ,
    NET_TX_SOFTIRQ,
    NET_RX_SOFTIRQ,
    BLOCK_SOFTIRQ,
    BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
    TASKLET_SOFTIRQ,
    SCHED_SOFTIRQ,
    HRTIMER_SOFTIRQ,
    RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */

    NR_SOFTIRQS
};

struct softirq_action 的定义也在 include/linux/interrupt.h 文件中

/*
 * 这个结构体的字段是个函数指针，字段名称是action
 * 函数指针的返回指是void型
 * 函数指针的参数是 struct softirq_action 的地址，其实就是指向 softirq_vec 中的某一项
 *     如果 open_softirq 是这样调用的： open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, my_tx_action);
 *     那么 my_tx_action 的参数就是 softirq_vec[NET_TX_SOFTIRQ]的地址
 */
struct softirq_action
{
    void    (*action)(struct softirq_action *);
};

② 触发软中断的函数 raise_softirq 参见 kernel/softirq.c文件

/*
 * 触发某个中断类型的软中断
 * @nr - 被触发的中断类型
 * 从函数中可以看出，在处理软中断前后有保存和恢复寄存器的操作
 */
void raise_softirq(unsigned int nr)
{
    unsigned long flags;

    local_irq_save(flags);
    raise_softirq_irqoff(nr);
    local_irq_restore(flags);
}

③ 执行软中断 do_softirq 参见 kernel/softirq.c文件

asmlinkage void do_softirq(void)
{
    __u32 pending;
    unsigned long flags;

    /* 判断是否在中断处理中，如果正在中断处理，就直接返回 */
    if (in_interrupt())
        return;

    /* 保存当前寄存器的值 */
    local_irq_save(flags);

    /* 取得当前已注册软中断的位图 */
    pending = local_softirq_pending();

    /* 循环处理所有已注册的软中断 */
    if (pending)
        __do_softirq();

    /* 恢复寄存器的值到中断处理前 */
    local_irq_restore(flags);
}

④ 执行相应的软中断 - 执行自己写的中断处理

linux中，执行软中断有专门的内核线程，每个处理器对应一个线程，名称ksoftirqd/n (n对应处理器号)

通过top命令查看我的单核虚拟机，ubuntu系统中的ksoftirqd线程如下：

root@ubuntu:/# top |grep ksoftirq
    4 root      20   0     0    0    0 S  0.0  0.0   0:01.10 ksoftirqd/0

2.2 tasklet

tasklet也是利用软中断来实现的，但是它提供了比软中断更好用的接口(其实就是基于软中断又封装了一下)，

所以除了对性能要求特别高的情况，一般建议使用tasklet来实现自己的中断。

tasklet对应的结构体在 <linux/interrupt.h> 中

struct tasklet_struct
{
    struct tasklet_struct *next; /* 链表中的下一个tasklet */
    unsigned long state;         /* tasklet状态 */
    atomic_t count;              /* 引用计数器 */
    void (*func)(unsigned long); /* tasklet处理函数 */
    unsigned long data;          /* tasklet处理函数的参数 */
};

tasklet状态只有3种值：

值 0 表示该tasklet没有被调度
值 TASKLET_STATE_SCHED 表示该tasklet已经被调度
值 TASKLET_STATE_RUN 表示该tasklet已经运行

引用计数器count 的值不为0，表示该tasklet被禁止。

tasklet使用流程如下：

1. 声明tasklet (参见<linux/interrupt.h>)

/* 静态声明一个tasklet */
#define DECLARE_TASKLET(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0), func, data }

#define DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(1), func, data }

/* 动态声明一个tasklet 传递一个tasklet_struct指针给初始化函数 */
extern void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,
             void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

2. 编写处理程序

参照tasklet处理函数的原型来写自己的处理逻辑

void tasklet_handler(unsigned long date)

3. 调度tasklet

中断的上半部处理完后调度tasklet，在适当时候进行下半部的处理

tasklet_schedule(&my_tasklet)  /* my_tasklet就是之前声明的tasklet_struct */

2.3 工作队列

工作队列子系统是一个用于创建内核线程的接口，通过它可以创建一个工作者线程来专门处理中断的下半部工作。

工作队列和tasklet不一样，不是基于软中断来实现的。

缺省的工作者线程名称是 events/n (n对应处理器号)。

通过top命令查看我的单核虚拟机，ubuntu系统中的events线程如下：

root@ubuntu:/# top | grep event
    6 root      20   0     0    0    0 S  0.0  0.0   0:02.16 events/0

工作队列主要用到下面3个结构体，弄懂了这3个结构体的关系，也就知道工作队列的处理流程了。

/* 在 include/linux/workqueue.h 文件中定义 */
struct work_struct {
    atomic_long_t data;             /* 这个并不是处理函数的参数，而是表示此work是否pending等状态的flag */
#define WORK_STRUCT_PENDING 0        /* T if work item pending execution */
#define WORK_STRUCT_FLAG_MASK (3UL)
#define WORK_STRUCT_WQ_DATA_MASK (~WORK_STRUCT_FLAG_MASK)
    struct list_head entry;         /* 中断下半部处理函数的链表 */
    work_func_t func;               /* 处理中断下半部工作的函数 */
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
    struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

/* 在 kernel/workqueue.c文件中定义
 * 每个工作者线程对应一个 cpu_workqueue_struct ，其中包含要处理的工作的链表
 * (即 work_struct 的链表，当此链表不空时，唤醒工作者线程来进行处理)
 */
/*
 * The per-CPU workqueue (if single thread, we always use the first
 * possible cpu).
 */
struct cpu_workqueue_struct {

    spinlock_t lock;                   /* 锁保护这种结构 */

    struct list_head worklist;         /* 工作队列头节点 */
    wait_queue_head_t more_work;
    struct work_struct *current_work;

    struct workqueue_struct *wq;       /* 关联工作队列结构 */
    struct task_struct *thread;        /* 关联线程 */
} ____cacheline_aligned;

/* 也是在 kernel/workqueue.c 文件中定义的
 * 每个 workqueue_struct 表示一种工作者类型，系统默认的就是 events 工作者类型
 * 每个工作者类型一般对应n个工作者线程，n就是处理器的个数
 */
/*
 * The externally visible workqueue abstraction is an array of
 * per-CPU workqueues:
 */
struct workqueue_struct {
    struct cpu_workqueue_struct *cpu_wq;  /* 工作者线程 */
    struct list_head list;
    const char *name;
    int singlethread;
    int freezeable;        /* Freeze threads during suspend */
    int rt;
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
    struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

使用工作者队列的方法见下图：

① 创建推后执行的工作 - 有静态创建和动态创建2种方法

/* 静态创建一个work_struct 
 * @n - work_struct结构体，不用事先定义
 * @f - 下半部处理函数
 */
#define DECLARE_WORK(n, f)                    \
    struct work_struct n = __WORK_INITIALIZER(n, f)

/* 动态创建一个 work_struct
 * @_work - 已经定义好的一个 work_struct
 * @_func - 下半部处理函数
 */
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
#define INIT_WORK(_work, _func)                        \
    do {                                \
        static struct lock_class_key __key;            \
                                    \
        (_work)->data = (atomic_long_t) WORK_DATA_INIT();    \
        lockdep_init_map(&(_work)->lockdep_map, #_work, &__key, 0);\
        INIT_LIST_HEAD(&(_work)->entry);            \
        PREPARE_WORK((_work), (_func));                \
    } while (0)
#else
#define INIT_WORK(_work, _func)                        \
    do {                                \
        (_work)->data = (atomic_long_t) WORK_DATA_INIT();    \
        INIT_LIST_HEAD(&(_work)->entry);            \
        PREPARE_WORK((_work), (_func));                \
    } while (0)
#endif

工作队列处理函数的原型：

typedef void (*work_func_t)(struct work_struct *work);

② 刷新现有的工作，这个步骤不是必须的，可以直接从第①步直接进入第③步

刷新现有工作的意思就是在追加新的工作之前，保证队列中的已有工作已经执行完了。

/* 刷新系统默认的队列，即 events 队列 */
void flush_scheduled_work(void);

/* 刷新用户自定义的队列
 * @wq - 用户自定义的队列
 */
void flush_workqueue(struct workqueue_struct *wq);

③ 调度工作 - 调度新定义的工作，使之处于等待处理器执行的状态

/* 调度第一步中新定义的工作，在系统默认的工作者线程中执行此工作
 * @work - 第一步中定义的工作
 */
schedule_work(struct work_struct *work);

/* 调度第一步中新定义的工作，在系统默认的工作者线程中执行此工作
 * @work  - 第一步中定义的工作
 * @delay - 延迟的时钟节拍
 */
int schedule_delayed_work(struct delayed_work *work, unsigned long delay);

/* 调度第一步中新定义的工作，在用户自定义的工作者线程中执行此工作
 * @wq   - 用户自定义的工作队列类型
 * @work - 第一步中定义的工作
 */
int queue_work(struct workqueue_struct *wq, struct work_struct *work);

/* 调度第一步中新定义的工作，在用户自定义的工作者线程中执行此工作
 * @wq    - 用户自定义的工作队列类型
 * @work  - 第一步中定义的工作
 * @delay - 延迟的时钟节拍
 */
int queue_delayed_work(struct workqueue_struct *wq,
            struct delayed_work *work, unsigned long delay);

3 总结中断下半部的实现

下面对实现中断下半部工作的3种机制进行总结，便于在实际使用中决定使用哪种机制

下半部机制	上下文	复杂度	执行性能	顺序执行保障
软中断	中断	高 (需要自己确保软中断的执行顺序及锁机制)	好 (全部自己实现，便于调优）	没有
tasklet	中断	中 (提供了简单的接口来使用软中断)	中	同类型不能同时执行
工作队列	进程	低 (在进程上下文中运行，与写用户程序差不多)	差	没有 (和进程上下文一样被调度)

4 中断实现实例

4.1 软中断的实现

本来想用内核模块的方法来测试一下软中断的流程，但是编译时发现软中断注册函数(open_softirq)和触发函数(raise_softirq)

并没有用EXPORT_SYMBOL导出，所以自定义的内核模块中无法使用。

测试的代码如下：

#include <linux/interrupt.h>
#include "kn_common.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static void my_softirq_func(struct softirq_action*);

static int testsoftirq_init(void)
{
	printk(KERN_ALERT "interrupt's top half!\n");
	open_softirq(LYL_SOFTIRQS, my_softirq_func);
	raise_softirq(LYL_SOFTIRQS);
	return 0;
}

static void testsoftirq_exit(void)
{
	printk(KERN_ALERT "*************************\n");
	print_current_time(0);
	printk(KERN_ALERT "testsoftirq is exited!\n");
	printk(KERN_ALERT "*************************\n");
}

static void my_softirq_func(struct softirq_action* act)
{
	printk(KERN_ALERT "=========================\n");
	print_current_time(0);
	printk(KERN_ALERT "my softirq function is been called!....\n");
	printk(KERN_ALERT "=========================\n");
}

module_init(testsoftirq_init);
module_exit(testsoftirq_exit);

其中头文件 kn_common.h 的相关内容参见之前的博客
linux内核中的软中断机制并未向驱动开发提供特定的接口，因此我们要自己修改导出函数：

由于内核没有用EXPORT_SYMBOL导出open_softirq和raise_softirq函数。

修改内核代码(将open_softirq和raise_softirq用EXPORT_SYMBOL导出)，再重新编译内核，然后再尝试能否测试软中断。

主要修改2个文件，(既然要修改代码，干脆加了一种软中断类型)：

/* 修改 kernel/softirq.c */
// ... 略 ...
char *softirq_to_name[NR_SOFTIRQS] = {
    "HI", "TIMER", "NET_TX", "NET_RX", "BLOCK", "BLOCK_IOPOLL",
    "TASKLET", "SCHED", "HRTIMER",  "RCU", "LYL"
};  /* 追加了一种新的softirq，即 "WYB"，我名字的缩写 ^_^ */

// ... 略 ...

void raise_softirq(unsigned int nr)
{
    unsigned long flags;

    local_irq_save(flags);
    raise_softirq_irqoff(nr);
    local_irq_restore(flags);
}
EXPORT_SYMBOL(raise_softirq);   /* 追加的代码 */

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
    softirq_vec[nr].action = action;
}
EXPORT_SYMBOL(open_softirq);    /* 追加的代码 */

// ... 略 ...


/* 还修改了 include/linux/interrupt.h */
enum
{
    HI_SOFTIRQ=0,
    TIMER_SOFTIRQ,
    NET_TX_SOFTIRQ,
    NET_RX_SOFTIRQ,
    BLOCK_SOFTIRQ,
    BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
    TASKLET_SOFTIRQ,
    SCHED_SOFTIRQ,
    HRTIMER_SOFTIRQ,
    RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */

    LYL_SOFTIRQS,   /* 追加的一种中断类型 */
    NR_SOFTIRQS
};

Makefile：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

MODULE_NAME := softirq

obj-m += $(MODULE_NAME).o
$(MODULE_NAME)-objs := testsoftirq.o kn_common.o

else
MODULE_NAME := softirq
#LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#KDIR := /lib/modules/$(LINUX_KERNEL)/build
KDIR := /usr/local/src/linux-3.0.1
all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
	rm -f *.order *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers
	cp $(MODULE_NAME).ko /ok6410/lib/modules/3.0.1/
clean:
	rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.order

endif

4.2 tasklet

测试代码

#include <linux/interrupt.h>
#include "kn_common.h"
#include <linux/jiffies.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static void my_tasklet_func(unsigned long);

DECLARE_TASKLET(mytasklet,my_tasklet_func,1000);

static int testtasklet_init(void)
{
	printk("interrupt's top half!\n");
	printk("jiffies = %lu\n",jiffies);
	tasklet_schedule(&mytasklet);
	return 0;
}

static void testtasklet_exit(void)
{
	printk("***********************\n");
	print_current_time(1);
	printk("testtasklet is exited!\n");
	printk("***********************\n");
}

static void my_tasklet_func(unsigned long data)
{
	printk("jiffies = %lu\n",jiffies);
	printk("=======================\n");
	print_current_time(1);
	printk("my tasklet function is been called!....\n");
	printk("parameter data is %ld\n",data);
	printk("=======================\n");
}

module_init(testtasklet_init);
module_exit(testtasklet_exit);

Makefile：

MODULE_NAME := mytasklet
ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m += $(MODULE_NAME).o
$(MODULE_NAME)-objs := testtasklet.o kn_common.o

else
#LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#KDIR := /lib/modules/$(LINUX_KERNEL)/build
KDIR := /usr/local/src/linux-3.0.1
all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
	rm -f *.order *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers
	cp $(MODULE_NAME).ko /ok6410/lib/modules/3.0.1/
clean:
	rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.order

endif

4.3 工作队列的实现

workqueue的例子的中静态定义了一个工作，动态定义了一个工作。

静态定义的工作由系统工作队列（events/n）调度，

动态定义的工作由自定义的工作队列（myworkqueue）调度。

测试工作队列的代码：testworkqueue.c

#include <linux/workqueue.h>
#include "kn_common.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static void my_work_func(struct work_struct *);
static void my_custom_workqueue_func(struct work_struct *);

/*创建静态工作，采用系统默认工作线程*/
DECLARE_WORK(mywork,my_work_func);

/*
1、创建推后执行的工作
2、刷新现有的工作
3、调度工作
*/

static int __init testworkqueue_init(void)
{
	/*自定义工作*/
	struct workqueue_struct *myworkqueue = create_workqueue("myworkqueue");
	/*动态创建一个工作*/
	struct work_struct *mywork2;
	mywork2 = kmalloc(sizeof(struct work_struct),GFP_KERNEL);
	INIT_WORK(mywork2, my_custom_workqueue_func);

	printk(KERN_ALERT "interrupt's top half!\n");

	/*刷新系统默认工作队列*/
	flush_scheduled_work();
	/*调度工作*/
	schedule_work(&mywork);
	/*刷新自定义工作队列*/
	flush_workqueue(myworkqueue);
	/*调度自定义工作队列*/
	queue_work(myworkqueue, mywork2);

	return 0;
}


static void testworkqueue_exit(void)
{
	printk(KERN_ALERT "*************************\n");
	print_current_time(1);
	printk(KERN_ALERT "my workqueue test is exited!\n");
	printk(KERN_ALERT "*************************\n");
}

static void my_work_func(struct work_struct *work)
{
	printk(KERN_ALERT "=========================\n");
	print_current_time(1);
	printk(KERN_ALERT "my workqueue function is been called!....\n");
	printk(KERN_ALERT "=========================\n");
}

static void my_custom_workqueue_func(struct work_struct *work)
{
	printk(KERN_ALERT "=========================\n");
	print_current_time(1);
	printk(KERN_ALERT "my cutomize workqueue function is been called!....\n");
	printk(KERN_ALERT "=========================\n");
	kfree(work);
}

module_init(testworkqueue_init);
module_exit(testworkqueue_exit);

Makefile：

MODULE_NAME := workqueue
ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m += $(MODULE_NAME).o
$(MODULE_NAME)-objs := testworkqueue.o kn_common.o

else
#LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#KDIR := /lib/modules/$(LINUX_KERNEL)/build
KDIR := /usr/local/src/linux-3.0.1
all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
	rm -f *.order *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers
	cp $(MODULE_NAME).ko /ok6410/lib/modules/3.0.1/
clean:
	rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.order

endif