Linux中断子系统-通用框架处理
背景
Kernel版本：4.14
ARM64處理器，Contex-A53，雙核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
《Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析》講到了底層硬件GIC驅動，以及Arch-Specific的中斷代碼，本文將研究下通用的中斷處理的過程，屬于硬件無關層。當然，我還是建議你看一下上篇文章。
這篇文章會解答兩個問題：
用戶是怎么使用中斷的（中斷注冊）？
外設觸發中斷信號時，最終是怎么調用到中斷handler的（中斷處理）？
2. 數據結構分析
先來看一下總的數據結構，核心是圍繞著struct irq_desc來展開：
Linux內核的中斷處理，圍繞著中斷描述符結構struct irq_desc展開，內核提供了兩種中斷描述符組織形式：
打開CONFIG_SPARSE_IRQ宏（中斷編號不連續），中斷描述符以radix-tree來組織，用戶在初始化時進行動態分配，然后再插入radix-tree中；
關閉CONFIG_SPARSE_IRQ宏（中斷編號連續），中斷描述符以數組的形式組織，并且已經分配好；
不管哪種形式，都可以通過linux irq號來找到對應的中斷描述符；
圖的左側灰色部分，主要在中斷控制器驅動中進行初始化設置，包括各個結構中函數指針的指向等，其中struct irq_chip用于對中斷控制器的硬件操作，struct irq_domain與中斷控制器對應，完成的工作是硬件中斷號到Linux irq的映射；
圖的上側灰色部分，中斷描述符的創建（這里指CONFIG_SPARSE_IRQ），主要在獲取設備中斷信息的過程中完成的，從而讓設備樹中的中斷能與具體的中斷描述符irq_desc匹配；
圖中剩余部分，在設備申請注冊中斷的過程中進行設置，比如struct irqaction中handler的設置，這個用于指向我們設備驅動程序中的中斷處理函數了；
中斷的處理主要有以下幾個功能模塊：
硬件中斷號到Linux irq中斷號的映射，并創建好irq_desc中斷描述符；
中斷注冊時，先獲取設備的中斷號，根據中斷號找到對應的irq_desc，并將設備的中斷處理函數添加到irq_desc中；
設備觸發中斷信號時，根據硬件中斷號得到Linux irq中斷號，找到對應的irq_desc，最終調用到設備的中斷處理函數；
熟悉設備驅動的同學應該都清楚，經常會在驅動程序中調用request_irq()接口或者request_threaded_irq()接口來注冊設備的中斷處理函數；
request_irq()/request_threaded_irq接口中，都需要用到irq，也就是中斷號，那么這個中斷號是從哪里來的呢？它是Linux irq，它又是如何映射到具體的硬件設備的中斷號的呢？
硬件設備的中斷信息都在設備樹device tree中進行了描述，在系統啟動過程中，這些信息都已經加載到內存中并得到了解析；
驅動中通常會使用platform_get_irq或irq_of_parse_and_map接口，去根據設備樹的信息去創建映射關系（硬件中斷號到linux irq中斷號映射）；
《Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析》提到過struct irq_domain用于完成映射工作，因此在irq_create_fwspec_mapping接口中，會先去找到匹配的irq domain，再去回調該irq domain中的函數集，通常irq domain都是在中斷控制器驅動中初始化的，以ARM GICv2為例，最終回調到gic_irq_domain_hierarchy_ops中的函數；
如果已經創建好了映射，那么可以直接進行返回linux irq中斷號了，否則的話需要irq_domain_alloc_irqs來創建映射關系；
irq_domain_alloc_irqs完成兩個工作：
針對linux irq中斷號創建一個irq_desc中斷描述符；
調用domain->ops->alloc函數來完成映射，在ARM GICv2驅動中對應gic_irq_domain_alloc函數，這個函數很關鍵，所以下文介紹一下；
gic_irq_domain_translate：負責解析出設備樹中描述的中斷號和中斷觸發類型（邊緣觸發、電平觸發等）；
gic_irq_domain_map：將硬件中斷號和linux中斷號綁定到一個結構中，也就完成了映射，此外還綁定了irq_desc結構中的其他字段，最重要的是設置了irq_desc->handle_irq的函數指針，這個最終是中斷響應時往上執行的入口，這個是關鍵，下文講述中斷處理過程時還會提到；
根據硬件中斷號的范圍設置irq_desc->handle_irq的指針，共享中斷入口為handle_fasteoi_irq，私有中斷入口為handle_percpu_devid_irq；
硬件中斷號與Linux中斷號完成映射，并為Linux中斷號創建了irq_desc中斷描述符；
數據結構的綁定及初始化，關鍵的地方是設置了中斷處理往上執行的入口；
request_irq也是調用request_threaded_irq，只是在傳參的時候，線程處理函數thread_fn函數設置成NULL；
由于在硬件中斷號和Linux中斷號完成映射后，irq_desc已經創建好，可以通過irq_to_desc接口去獲取對應的irq_desc；
創建irqaction，并初始化該結構體中的各個字段，其中包括傳入的中斷處理函數賦值給對應的字段；
__setup_irq用于完成中斷的相關設置，包括中斷線程化的處理：
中斷線程化用于減少系統關中斷的時間，增強系統的實時性；
ARM64默認開啟了CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING，引導參數傳入threadirqs時，則除了IRQF_NO_THREAD外的中斷，其他的都將強制線程化處理；
中斷線程化會為每個中斷都創建一個內核線程，如果中斷進行共享，對應irqaction將連接成鏈表，每個irqaction都有thread_mask位圖字段，當所有共享中斷都處理完成后才能unmask中斷，解除中斷屏蔽；
中斷收到之后，首先會跳轉到異常向量表的入口處，進而逐級進行回調處理，最終調用到generic_handle_irq來進行中斷處理。
generic_handle_irq函數最終會調用到desc->handle_irq()，這個也就是對應到上文中在建立映射關系的過程中，調用irq_domain_set_info函數，設置好了函數指針，也就是handle_fasteoi_irq和handle_percpu_devid_irq；
handle_fasteoi_irq：處理共享中斷，并且遍歷irqaction鏈表，逐個調用action->handler()函數，這個函數正是設備驅動程序調用request_irq/request_threaded_irq接口注冊的中斷處理函數，此外如果中斷線程化處理的話，還會調用__irq_wake_thread()喚醒內核線程；
handle_percpu_devid_irq：處理per-CPU中斷處理，在這個過程中會分別調用中斷控制器的處理函數進行硬件操作，該函數調用action->handler()來進行中斷處理；
__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread將喚醒irq_thread中斷內核線程；
irq_thread內核線程，將根據是否為強制中斷線程化對函數指針handler_fn進行初始化，以便后續進行調用；
irq_thread內核線程將while(!irq_wait_for_interrupt)循環進行中斷的處理，當滿足條件時，執行handler_fn，在該函數中最終調用action->thread_fn，也就是完成了中斷的處理；
irq_wait_for_interrupt函數，將會判斷中斷線程的喚醒條件，如果滿足了，則將當前任務設置成TASK_RUNNING狀態，并返回0，這樣就能執行中斷的處理，否則就調用schedule()進行調度，讓出CPU，并將任務設置成TASK_INTERRUPTIBLE可中斷睡眠狀態；
從上到下：圍繞irq_desc中斷描述符建立好連接關系，這個過程就包括：中斷源信息的解析（設備樹），硬件中斷號到Linux中斷號的映射關系、irq_desc結構的分配及初始化（內部各個結構的組織關系）、中斷的注冊（填充irq_desc結構，包括handler處理函數）等，總而言之，就是完成靜態關系創建，為中斷處理做好準備；
從下到上，當外設觸發中斷信號時，中斷控制器接收到信號并發送到處理器，此時處理器進行異常模式切換，并逐步從處理器架構相關代碼逐級回調。如果涉及到中斷線程化，則還需要進行中斷內核線程的喚醒操作，最終完成中斷處理函數的執行。
上述的描述比較簡單，更詳細的過程，往下看吧。
3. 流程分析
3.1 中斷注冊
這一次，讓我們以問題的方式來展開：先來讓我們回答第一個問題：用戶是怎么使用中斷的？
先來看第二個問題：設備硬件中斷號到Linux irq中斷號的映射
gic_irq_domain_alloc函數如下：
上述函數執行完成后，完成了兩大工作：
再看第一個問題：中斷是怎么來注冊的？
設備驅動中，獲取到了irq中斷號后，通常就會采用request_irq/request_threaded_irq來注冊中斷，其中request_irq用于注冊普通處理的中斷，request_threaded_irq用于注冊線程化處理的中斷；
在講具體的注冊流程前，先看一下主要的中斷標志位：
#define IRQF_SHARED 0x00000080 //多個設備共享一個中斷號，需要外設硬件支持 #define IRQF_PROBE_SHARED 0x00000100 //中斷處理程序允許sharing mismatch發生 #define __IRQF_TIMER 0x00000200 //時鐘中斷 #define IRQF_PERCPU 0x00000400 //屬于特定CPU的中斷 #define IRQF_NOBALANCING 0x00000800 //禁止在CPU之間進行中斷均衡處理 #define IRQF_IRQPOLL 0x00001000 //中斷被用作輪訓 #define IRQF_ONESHOT 0x00002000 //一次性觸發的中斷，不能嵌套，1）在硬件中斷處理完成后才能打開中斷；2）在中斷線程化中保持關閉狀態，直到該中斷源上的所有thread_fn函數都執行完 #define IRQF_NO_SUSPEND 0x00004000 //系統休眠喚醒操作中，不關閉該中斷 #define IRQF_FORCE_RESUME 0x00008000 //系統喚醒過程中必須強制打開該中斷 #define IRQF_NO_THREAD 0x00010000 //禁止中斷線程化 #define IRQF_EARLY_RESUME 0x00020000 //系統喚醒過程中在syscore階段resume，而不用等到設備resume階段 #define IRQF_COND_SUSPEND 0x00040000 //與NO_SUSPEND的用戶共享中斷時，執行本設備的中斷處理函數3.2 中斷處理
當完成中斷的注冊后，所有結構的組織關系都已經建立好，剩下的工作就是當信號來臨時，進行中斷的處理工作。
來回顧一下《Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析》中的Arch-specific處理流程：
generic_handle_irq處理如下圖：
來看看中斷線程化處理后的喚醒流程吧__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread：
3.3 總結
中斷的處理，總體來說可以分為兩部分來看：
? ?
? ?推薦閱讀：
? ??專輯|Linux文章匯總
? ??專輯|程序人生
? ??專輯|C語言
嵌入式Linux
微信掃描二維碼，關注我的公眾號?
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux中断子系统-通用框架处理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： js实现文件上传
- 下一篇： Linux内核设计的艺术