《Linux核心設計與實現》讀書筆記（七）- 中斷處理

中斷處理一般不是純軟體來實現的，需要硬體的支援。通過對中斷的學習有助於更深入的瞭解系統的一些底層原理，特別是驅動程式的開發。

主要內容：

• 什麼是中斷
• 中斷類型
• 中斷相關函數
• 中斷處理機制
• 中斷控制方法
• 總結

 

1. 什麼是中斷

為了提高CPU和外圍硬體(硬碟，鍵盤，滑鼠等等)之間協同工作的效能，引入了中斷的機制。

沒有中斷的話，CPU和外圍裝置之間協同工作可能只有輪詢這個方法：CPU定期檢查硬體狀態，需要處理時就處理，否則就跳過。

當硬體忙碌的時候，CPU很可能會做許多無用功（每次輪詢都是跳過不處理）。

 

中斷機制是硬體在需要的時候向CPU發出訊號，CPU暫時停止進行中的工作，來處理硬體請求的一種機制。

 

2. 中斷類型

中斷一般分為非同步中斷(一般由硬體引起)和同步中斷(一般由處理器本身引起)。

非同步中斷：CPU處理中斷的時間過長，所以先將硬體複位，使硬體可以繼續自己的工作，然後在適當時候處理插斷要求中耗時的部分。

舉個例子：網卡的工作原理

1.     網卡收到資料包後，向CPU發出中斷訊號，請求處理接收到的資料包
2.     CPU將收到的資料包拷貝到記憶體後，即通知網卡繼續工作
3.     至於資料包拷貝至記憶體後的處理會在適當的時候進行

 

這樣做避免了處理資料包時間過長導致網卡接收資料包速度變慢。

 

同步中斷：CPU處理完插斷要求的所有工作後才反饋硬體

舉個例子：系統異常處理(比如運算中的除0操作)

1.     應用程式出現異常後，需要核心來處理
2.     核心調用相應的異常處理函數來處理異常
3.     處理完後終了應用程式或者給出message

 

同步中斷應該處理能很快完成的一種中斷。

 

3. 中斷相關函數

實現一個中斷，主要需要知道3個函數：

• 註冊中斷的函數
• 釋放中斷的函數
• 中斷處理常式的聲明

 

3.1 註冊中斷的函數

    位置：<linux/interrupt.h>  include/linux/interrupt.h

 

定義如下：

/* * irg     - 表示要分配的中斷號 * handler - 實際的中斷處理常式 * flags   - 標誌位，表示此中斷的具有特性 * name    - 中斷裝置名稱的ASCII 表示，這些會被/proc/irq和/proc/interrupts檔案使用 * dev     - 用於共用中斷線，多個中斷程式共用一個中斷線時(共用一個中斷號)，依靠dev來區別各個中斷程式 * 傳回值： * 執行成功：0 * 執行失敗：非0 */int request_irq(unsigned int irq,                irq_handler_t handler,                unsigned long flags,                const char* name,                void *dev)

 

3.2 釋放中斷的函數

定義比較簡單：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev)

如果不是共用中斷線，則直接刪除irq對應的中斷線。

如果是共用中斷線，則判斷此中斷處理常式是否中斷線上的最後一個中斷處理常式，

    是最後一個中斷處理常式 -> 刪除中斷線和中斷處理常式

    不是最後一個中斷處理常式 -> 刪除中斷處理常式

 

3.3 中斷處理常式的聲明

聲明格式如下：

/*  * 中斷處理常式的聲明 * @irp  - 中斷處理常式(即request_irq()中handler)關聯的中斷號 * @dev  - 與 request_irq()中的dev一樣，表示一個裝置的結構體 * 傳回值： * irqreturn_t -  執行成功：IRQ_HANDLED  執行失敗：IRQ_NONE */static irqreturn_t intr_handler(int, irq, void *dev)

 

4. 中斷處理機制

中斷處理的過程主要涉及3函數：

• do_IRQ 與體繫結構有關，對所接收的中斷進行應答
• handle_IRQ_event 調用中斷線上所有中斷處理
• ret_from_intr 恢複寄存器，將核心恢複到中斷前的狀態

 

處理流程可以參見書中的圖，如下：

 

5. 中斷控制方法

常用的中斷控制方法見下表：

函數	說明
local_irq_disable()	禁止本地中斷傳遞
local_irq_enable()	啟用本地中斷傳遞
local_irq_save()	儲存本地中斷傳遞的目前狀態，然後禁止本地中斷傳遞
local_irq_restore()	恢複本地中斷傳遞到給定的狀態
disable_irq()	禁止給定中斷線，並確保該函數返回之前在該中斷線上沒有處理常式在運行
disable_irq_nosync()	禁止給定中斷線
enable_irq()	啟用給定中斷線
irqs_disabled()	如果本地中斷傳遞被禁止，則返回非0；否則返回0
in_interrupt()	如果在中斷上下文中，則返回非0；如果在進程上下文中，則返回0
in_irq()	如果當前正在執行中斷處理常式，則返回非0；否則返回0

 

總結

中斷處理對處理時間的要求很高，如果一個中斷要花費較長時間，那麼中斷處理一般分為2部分。

上半部只做一些必要的工作後，立即通知硬體繼續自己的工作。

中斷處理中耗時的部分，也就是下半部的工作，CPU會在適當的時候去完成。