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深入剖析Linux中断机制
－－中断概述
【摘要】本文详解了Linux内核的中断实现机制。首先介绍了中断的一些基本概念，然后分析了面向对象的Linux中断的组织形式、三种主要数据结构及其之间的关系。随后介绍了Linux处理异常和中断的基本流程，在此基础上分析了中断处理的详细流程，包括保存现场、中断处理、中断退出时的软中断执行及中断返回时的进程切换等问题。最后介绍了中断相关的API，包括中断注册和释放、中断关闭和使能、如何编写中断ISR、共享中断、中断上下文中断状态等。

【关键字】中断，异常，hw_interrupt_type，irq_desc_t，irqaction，asm_do_IRQ，软中断，进程切换，中断注册释放request_irq，free_irq，共享中断，可重入，中断上下文

1 中断概述
1.1 为什么需要中断？
处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上，因此，如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求，然后专门等待回应的办法，显然差强人意。既然硬件的响应这么慢，那么内核就应该在此期间处理其他事务，等到硬件真正完成了请求的操作之后，再回过头来对它进行处理。想要实现这种功能，轮询(polling)可能会是一种解决办法。可以让内核定期对设备的状态进行查询，然后做出相应的处理。不过这种方法很可能会让内核做不少无用功，因为无论硬件设备是正在忙碌着完成任务还是已经大功告成，轮询总会周期性地重复执行。更好的办法是由我们来提供一种机制，让硬件在需要的时候再向内核发出信号(变内核主动为硬件主动)。这就是中断机制。

1.2 中断的表示形式
硬件设备生成中断的时候并不考虑与处理器的时钟同步—换句话说就是中断随时可以产生。因此，内核随时可能因为新到来的中断而被打断。

从物理学的角度看，中断是一种电信号，由硬件设备生成，并直接送入中断控制器的输入引脚上。然后再由中断控制器向处理器发送相应的信号。处理器一经检测到此信号，便中断自己的当前工作转而处理中断。此后，处理器会通知操作系统已经产生中断，这样，操作系统就可以对这个中断进行适当的处理了。

不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个惟一的数字标识。因此，来自键盘的中断就有别干来自硬盘的中断，从而使得操作系统能够对中断进行区分，并知道哪个硬件设备产生了哪个中断。这样，操作系统才能给不同的中断提供不同的中断处理程序。

这些中断值通常被为中断请求(IRQ)线。通常IRQ都是一些数值量。例如在PC上，IRQ0是时钟中断，而IRQ 1是键盘中断。但并非所有的中断号都是这样严格定义的。例如，对于连接在PCI总线上的设备而言，中断是动态分配的。而在嵌入式系统中，由于中断线有限，一般外设和中断都是一一匹配的，很少有动态分配中断的。不管怎样，重点在于特定的中断总是与特定的设备相关联，并且内核要知道这些信息。

1.3 异常
在操作系统中，讨论中断就不能不提及异常。广义的中断可分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：

同步中断：是当指令执行时由 CPU 控制单元产生，之所以称为同步，是因为只有在一条指令执行完毕后 CPU 才会发出中断，而不是发生在代码指令执行期间，比如系统调用。

异步中断：是指由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机产生，即意味着中断能够在指令之间发生，例如键盘中断。

一般由处理器本身产生的同步中断称为异常（exception），异步中断被称为中断（interrupt）。中断可分为可屏蔽中断（Maskable interrupt）和非屏蔽中断（Nomaskable interrupt）。异常可分为故障（fault）、陷阱（trap）、终止（abort）三类。

表 1：中断类别及其行为

类别
原因
异步/同步
返回行为

中断
来自I/O设备的信号
异步
总是返回到下一条指令

陷阱
有意的异常
同步
总是返回到下一条指令

故障
潜在可恢复的错误
同步
返回到当前指令

终止
不可恢复的错误
同步
不会返回

在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令(例如被0除)的时候，或者是在执行期间出现特殊情况(例如缺页)，必须靠内核来处理的时候，处理器就会产生一个异常。因为许多处理器体系结构处理异常与处理中断的方式类似，因此，内核对它们的处理也很类似。

通过软中断实现系统调用，那就是陷人内核，然后引起一种特殊的异常—系统调用处理程序异常。你将会看到，中断的工作方式与之类似，其差异只在于中断是由硬件而不是软件引起的。

1.4 中断处理程序
在响应一个特定中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序(interrupt handler)或中断服务例程(interrupt service routine, ISR)。产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序。

在Linux中，中断处理程序看起来就是普普通通的C函数。只不过这些函数必须按照特定的类型声明，以便内核能够以标准的方式传递处理程序的信息。中断处理程序与其他内核函数的真正区别在于：中断处理程序是被内核调用来响应中断的，而它们运行于我们称之为中断上下文的特殊上下文中。

中断可能随时发生，因此中断处理程序也就随时可能执行。所以必须保证中断处理程序能够快速执行，这样才能保证尽可能快地恢复中断代码的执行。因此，尽管对硬件而言，迅速对其中断进行服务非常重要，但对系统的其他部分而言，让中断处理程序在尽可能短的时间内完成运行也同样重要。

即使是最精简版的中断服务程序，它也要与硬件进行交互，告诉该设备中断已被接收。我们可以考虑一下网络设备的中断处理程序面临的挑战。该处理程序除了要对硬件应答，还要把来自硬件的网络数据包拷贝到内存，对其进行处理后再交给合适的协议栈或应用程序。显而易见，这种工作量不会太小，尤其对于如今的千兆比特和万兆比特以太网卡而言。

因此我们一般把中断处理切为两个部分或两半。中断处理程序是上半部 (top half)—接收到一个中断，它就立即开始执行，但只做有严格时限的工作，例如对接收的中断进行应答或复位硬件，这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成的。能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部(bottom half)去。此后，在合适的时机，下半部会被开中断执行。

以网卡作为实例，当网卡接收流入网络的数据包时，需要通知内核数据包到了。网卡需要立即完成这件事，从而优化网络的吞吐量和传输周期，以避免超时。因此，网卡立即发出中断:嘀，内核，我这里有最新数据包了。内核通过执行网卡已注册的中断处理程序来做出应答。

中断开始执行，应答硬件，拷贝最新的网络数据包到内存，然后读取网卡更多的数据包。这些都是重要、紧迫而又与硬件相关的工作。处理和操作数据包的其他工作在随后的下半部中进行。

深入剖析Linux中断机制之二

－－Linux中断的组织形式

【摘要】本文详解了Linux内核的中断实现机制。首先介绍了中断的一些基本概念，然后分析了面向对象的Linux中断的组织形式、三种主要数据结构及其之间的关系。随后介绍了Linux处理异常和中断的基本流程，在此基础上分析了中断处理的详细流程，包括保存现场、中断处理、中断退出时的软中断执行及中断返回时的进程切换等问题。最后介绍了中断相关的API，包括中断注册和释放、中断关闭和使能、如何编写中断ISR、共享中断、中断上下文中断状态等。

【关键字】中断，异常，hw_interrupt_type，irq_desc_t，irqaction，asm_do_IRQ，软中断，进程切换，中断注册释放request_irq，free_irq，共享中断，可重入，中断上下文

1 Linux中断的组织形式
1.1 IRQ描述符irq_desc
对于每个IRQ中断线，Linux都用一个irq_desc_t数据结构来描述，我们把它叫做IRQ描述符，NR_IRQS个IRQ形成一个全局数组irq_desc[]，其定义在/include/linux/irq.h中：

struct irq_desc – 中断描述符

148struct irq_desc {

149 irq_flow_handler_t handle_irq;

150 struct irq_chip *chip;

151 void *handler_data;

152 void *chip_data;

153 struct irqaction *action; /* IRQ action list */

154 unsigned int status; /* IRQ status */

155

156 unsigned int depth; /* nested irq disables */

157 unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */

158 unsigned int irq_count; /* For detecting broken IRQs */

159 unsigned int irqs_unhandled;

160 spinlock_t lock;

161#ifdef CONFIG_SMP

162 cpumask_t affinity;

163 unsigned int cpu;

164#endif

171 const char *name;

172} ____cacheline_aligned;

173

174extern struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS];

handle_irq：上层的通用中断处理函数指针，如果未设置则默认为__do_IRQ()。通常针对电平触发或者边沿触发有不同的处理函数。每个中断线可分别设置；

chip：底层中断的各种控制访问方法集合，各个CPU实现的都不同，这属于面向对象的中断处理方式中最底层的一部分；

handler_data：附加参数，用于handle_irq；

chip_data：平台相关的附加参数，用于chip；

action：指向一个单向链表的指针，这个链表就是对中断服务例程进行描述的irqaction结构；

status：中断当前的状态；

depth：中断关闭打开的层数。如果启用这条IRQ中断线，depth则为0，如果禁用这条IRQ中断线不止一次，则为一个正数。如果depth等于0，每当调用一次disable_irq( )，该函数就对这个域的值加1，同时该函数就禁用这条IRQ中断线。相反，每当调用enable_irq( )函数时，该函数就对这个域的值减1；如果depth变为0，该函数就启用这条IRQ中断线。

Lock：此中断描述符为全局共享暑假，对于SMP需要互斥访问

Dir： /proc/irq/ 入口

Name： /proc/interrupts 中显示的中断名称

“____cacheline_aligned”表示这个数据结构的存放按32字节（高速缓存行的大小）进行对齐，以便于将来存放在高速缓存并容易存取

linux+v2.6.19/arch/arm/kernel/irq.c

157void __init init_IRQ(void)

158{

159 int irq;

160

161 for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++)

162 irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_DELAYED_DISABLE |

163 IRQ_NOPROBE;

164

165#ifdef CONFIG_SMP

166 bad_irq_desc.affinity = CPU_MASK_ALL;

167 bad_irq_desc.cpu = smp_processor_id();

168#endif

169 init_arch_irq();

170}

1.2 中断控制器描述符irq_chip
由于CPU不同，故每个处理器对于中断的处理方式不一样。Linux为了实现统一的中断处理，提供了底层的中断处理抽象接口，对于每个平台都需要实现底层的接口函数。这样对于上层的中断通用处理程序就无需任何改动。

struct irq_chip –片级的中断描述符

94struct irq_chip {

95 const char *name;

96 unsigned int (*startup)(unsigned int irq);

97 void (*shutdown)(unsigned int irq);

98 void (*enable)(unsigned int irq);

99 void (*disable)(unsigned int irq);

100

101 void (*ack)(unsigned int irq);

102 void (*mask)(unsigned int irq);

103 void (*mask_ack)(unsigned int irq);

104 void (*unmask)(unsigned int irq);

105 void (*eoi)(unsigned int irq);

106

107 void (*end)(unsigned int irq);

108 void (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest);

109 int (*retrigger)(unsigned int irq);

110 int (*set_type)(unsigned int irq, unsigned int flow_type);

111 int (*set_wake)(unsigned int irq, unsigned int on);

121 const char *typename;

122};

Name：用于/proc/interrupts

Startup：默认为enable if NULL

Shutdown：默认为 disable if NULL

Enable：允许中断，默认为unmask if NULL

Disable：禁止中断，默认为mask if NULL

Ack：响应一个中断

Mask：mask 一个中断源，通常是关闭中断

mask_ack：响应并mask中断源

unmask：unmask中断源

set_type：设置中断触发方式IRQ_TYPE_LEVEL

大多数控制方法都是重复的，基本上只要有中断响应、中断屏蔽、中断开启、中断触发类型设置等方法就可以满足要求了。其他各种方法基本上和这些相同。

linux+v2.6.19/arch/arm/mach-at91rm9200/irq.c

提供了中断响应、打开、关闭、设置触发类型等底层方法的接口

static struct irq_chip at91_aic_chip = {

.name = "AIC",

.ack = at91_aic_mask_irq,

.mask = at91_aic_mask_irq,

.unmask = at91_aic_unmask_irq,

.set_type = at91_aic_set_type,

.set_wake = at91_aic_set_wake,

};

124/*

125 * Initialize the AIC interrupt controller.

126 */

127void __init at91_aic_init(unsigned int priority[NR_AIC_IRQS])

128{

129 unsigned int i;

130

131 /*

132 * The IVR is used by macro get_irqnr_and_base to read and verify.

133 * The irq number is NR_AIC_IRQS when a spurious interrupt has occurred.

134 */

135 for (i = 0; i < NR_AIC_IRQS; i++) {

136 /* Put irq number in Source Vector Register: */

137 at91_sys_write(AT91_AIC_SVR(i), i);

138 /* Active Low interrupt, with the specified priority */

139 at91_sys_write(AT91_AIC_SMR(i), AT91_AIC_SRCTYPE_LOW | priority[i]);

140

141 set_irq_chip(i, &at91_aic_chip);

142 set_irq_handler(i, do_level_IRQ);

143 set_irq_flags(i, IRQF_VALID | IRQF_PROBE);

144

145 /* Perform 8 End Of Interrupt Command to make sure AIC will not Lock out nIRQ */

146 if (i < 8)

147 at91_sys_write(AT91_AIC_EOICR, 0);

148 }

149

150 /*

151 * Spurious Interrupt ID in Spurious Vector Register is NR_AIC_IRQS

152 * When there is no current interrupt, the IRQ Vector Register reads the value stored in AIC_SPU

153 */

154 at91_sys_write(AT91_AIC_SPU, NR_AIC_IRQS);

155

156 /* No debugging in AIC: Debug (Protect) Control Register */

157 at91_sys_write(AT91_AIC_DCR, 0);

158

159 /* Disable and clear all interrupts initially */

160 at91_sys_write(AT91_AIC_IDCR, 0xFFFFFFFF);

161 at91_sys_write(AT91_AIC_ICCR, 0xFFFFFFFF);

162}

163

以下这些宏定义都是为保持兼容性而设置的，后续版本中将彻底删除

47#define do_level_IRQ handle_level_irq

48#define do_edge_IRQ handle_edge_irq

49#define do_simple_IRQ handle_simple_irq

50#define irqdesc irq_desc

51#define irqchip irq_chip

55#define SA_INTERRUPT IRQF_DISABLED

57#define SA_SHIRQ IRQF_SHARED

60

61#define SA_TRIGGER_LOW IRQF_TRIGGER_LOW

62#define SA_TRIGGER_HIGH IRQF_TRIGGER_HIGH

63#define SA_TRIGGER_FALLING IRQF_TRIGGER_FALLING

64#define SA_TRIGGER_RISING IRQF_TRIGGER_RISING

65#define SA_TRIGGER_MASK IRQF_TRIGGER_MASK

linux/kernel/irq/chip.c

handle_level_irq

1.3 中断服务例程描述符irqaction
在IRQ描述符中我们看到指针action的结构为irqaction，它是为多个设备能共享一条中断线而设置的一个数据结构，代表了每个注册中断对应的信息。在include/linux/interrupt.h中定义如下:

67typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

68

69struct irqaction {

70 irq_handler_t handler;

71 unsigned long flags;

72 cpumask_t mask;

73 const char *name;

74 void *dev_id;

75 struct irqaction *next;

76 int irq;

77 struct proc_dir_entry *dir;

78};

Handler：指向一个具体I/O设备的中断服务例程。这是允许多个设备共享同一中断线的关键域，中断线可以相同，但处理函数可以不一样。

Flags：用一组标志描述中断线与I/O设备之间的关系。

SA_INTERRUPT

中断处理程序必须以禁用中断来执行。此标志表明给定的中断处理程序是一个快速中断处理程序(fast interrupt handler)。过去，Linux将中断处理程序分为快速和慢速两种。那些可以迅速执行但调用频率可能会很高的中断服务程序，会被贴上这样的标签。通常这样做需要修改中断处理程序的行为，使它们能够尽可能快地执行。现在，加不加此标志的区别只剩下一条了：在本地处理器上，快速中断处理程序在禁止所有中断的情况下运行。这使得快速中断处理程序能够不受其他中断干扰，得以迅速执行。而默认情况下(没有这个标志)，除了正运行的中断处理程序对应的那条中断线被屏蔽外，其他所有中断都是激活的。除了时钟中断外，绝大多数中断都不使用该标志。

SA_SHIRQ

此标志表明可以在多个中断处理程序之间共享中断线。在同一个给定线上注册的每个处理程序必须指定这个标志：否则，在每条线上只能有一个处理程序。各项该中断线的每一个例程都需要设置此标志。

Name：I/O设备名（通过读取/proc/interrupts文件，可以看到，在列出中断号时也显示设备名。）

dev_id：对于共享中断，此特定值用来区分各中断。当一个中断处理程序需要释放时，dev_id将提供惟一的标志信息(cookie)，以便从共享中断线的诸多中断处理程序中删除指定的那一个。如果没有这个参数，那么内核不可能知道在给定的中断线上到底要删除哪一个处理程序。

如果无需共享中断线，那么将该参数赋为空值(NULL)就可以了，但是，如果中断线是被共享的，那么就必须传递惟一的信息。另外，内核每次调用中断处理程序时，都会把这个指针传递给它。实践中往往会通过它传递驱动程序的设备结构：这个指针是惟一的，而且有可能在中断处理程序内及设备模式中被用到。

Next：指向irqaction描述符链表的下一个元素。共享同一中断线的每个硬件设备都有其对应的中断服务例程，链表中的每个元素就是对相应设备及中断服务例程的描述。

Irq：对应的中断号

dir：proc文件系统对应的入口

1.4 三者的关系
三个主要的数据结构包含了与 IRQ 相关的所有信息：hw_interrupt_type、irq_desc_t 和 irqaction，下图解释了它们之间是如何关联的。中断服务例程ISR是irqaction 的Handler成员。

中断的处理是一种面向对象的机制，通过三个数据结果实现了三层结构，底层是和具体硬件相关的中断处理响应等，中间层是统一的中断处理流程，最上层是特定的中断处理例程。

IRQ 结构之间的关系

深入剖析Linux中断机制之三

－－Linux对异常和中断的处理

Sailor_forever sailing_9806@ 转载请注明

【摘要】本文详解了Linux内核的中断实现机制。首先介绍了中断的一些基本概念，然后分析了面向对象的Linux中断的组织形式、三种主要数据结构及其之间的关系。随后介绍了Linux处理异常和中断的基本流程，在此基础上分析了中断处理的详细流程，包括保存现场、中断处理、中断退出时的软中断执行及中断返回时的进程切换等问题。最后介绍了中断相关的API，包括中断注册和释放、中断关闭和使能、如何编写中断ISR、共享中断、中断上下文中断状态等。

【关键字】中断，异常，hw_interrupt_type，irq_desc_t，irqaction，asm_do_IRQ，软中断，进程切换，中断注册释放request_irq，free_irq，共享中断，可重入，中断上下文

1 Linux对异常和中断的处理
1.1 异常处理
Linux利用异常来达到两个截然不同的目的：

² 给进程发送一个信号以通报一个反常情况

² 管理硬件资源

对于第一种情况，例如，如果进程执行了一个被0除的操作，CPU则会产生一个“除法错误”异常，并由相应的异常处理程序向当前进程发送一个SIGFPE信号。当前进程接收到这个信号后，就要采取若干必要的步骤，或者从错误中恢复，或者终止执行（如果这个信号没有相应的信号处理程序）。

内核对异常处理程序的调用有一个标准的结构，它由以下三部分组成：

² 在内核栈中保存大多数寄存器的内容（由汇编语言实现）

² 调用C编写的异常处理函数

² 通过ret_from_exception()函数从异常退出。

1.2 中断处理
当一个中断发生时，并不是所有的操作都具有相同的急迫性。事实上，把所有的操作都放进中断处理程序本身并不合适。需要时间长的、非重要的操作应该推后，因为当一个中断处理程序正在运行时，相应的IRQ中断线上再发出的信号就会被忽略。另外中断处理程序不能执行任何阻塞过程，如I/O设备操作。因此，Linux把一个中断要执行的操作分为下面的三类：

² 紧急的（Critical）

这样的操作诸如：中断到来时中断控制器做出应答，对中断控制器或设备控制器重新编程，或者对设备和处理器同时访问的数据结构进行修改。这些操作都是紧急的，应该被很快地执行，也就是说，紧急操作应该在一个中断处理程序内立即执行，而且是在禁用中断的状态下。

² 非紧急的（Noncritical）

这样的操作如修改那些只有处理器才会访问的数据结构（例如，按下一个键后，读扫描码）。这些操作也要很快地完成，因此，它们由中断处理程序立即执行，但在启用中断的状态下。

² 非紧急可延迟的（Noncritical deferrable）

这样的操作如，把一个缓冲区的内容拷贝到一些进程的地址空间（例如，把键盘行缓冲区的内容发送到终端处理程序的进程）。这些操作可能被延迟较长的时间间隔而不影响内核操作，有兴趣的进程会等待需要的数据。

所有的中断处理程序都执行四个基本的操作：

² 在内核栈中保存IRQ的值和寄存器的内容。

² 给与IRQ中断线相连的中断控制器发送一个应答，这将允许在这条中断线上进一步发出中断请求。

² 执行共享这个IRQ的所有设备的中断服务例程（ISR）。

² 跳到ret_to_usr( )的地址后终止。

1.3 中断处理程序的执行流程
1.3.1 流程概述
现在，我们可以从中断请求的发生到CPU的响应，再到中断处理程序的调用和返回，沿着这一思路走一遍，以体会Linux内核对中断的响应及处理。

假定外设的驱动程序都已完成了初始化工作，并且已把相应的中断服务例程挂入到特定的中断请求队列。又假定当前进程正在用户空间运行（随时可以接受中断），且外设已产生了一次中断请求，CPU就在执行完当前指令后来响应该中断。

中断处理系统在Linux中的实现是非常依赖于体系结构的，实现依赖于处理器、所使用的中断控制器的类型、体系结构的设计及机器本身。

设备产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器。如果中断线是激活的，那么中断控制器就会把中断发往处理器。在大多数体系结构中，这个工作就是通过电信号给处理器的特定管脚发送一个信号。除非在处理器上禁止该中断，否则，处理器会立即停止它正在做的事，关闭中断系统，然后跳到内存中预定义的位置开始执行那里的代码。这个预定义的位置是由内核设置的，是中断处理程序的入口点。

对于ARM系统来说，有个专用的IRQ运行模式，有一个统一的入口地址。假定中断发生时CPU运行在用户空间，而中断处理程序属于内核空间，因此，要进行堆栈的切换。也就是说，CPU从TSS中取出内核栈指针，并切换到内核栈（此时栈还为空）。

若当前处于内核空间时，对于ARM系统来说是处于SVC模式，此时产生中断，中断处理完毕后，若是可剥夺内核，则检查是否需要进行进程调度，否则直接返回到被中断的内核空间；若需要进行进程调度，则svc_preempt，进程切换。

190 .align 5

191__irq_svc:

192 svc_entry

197#ifdef CONFIG_PREEMPT

198 get_thread_info tsk

199 ldr r8, [tsk, #TI_PREEMPT] @ get preempt count

200 add r7, r8, #1 @ increment it

201 str r7, [tsk, #TI_PREEMPT]

202#endif

203

204 irq_handler

205#ifdef CONFIG_PREEMPT

206 ldr r0, [tsk, #TI_FLAGS] @ get flags

207 tst r0, #_TIF_NEED_RESCHED

208 blne svc_preempt

209preempt_r