Linux中PowerPC的中斷原理分析

    在瞭解中斷處理機制前，先看一下PowerPC的中斷源，這裡使用的是e300c3的核心，從E300核的角度，中斷源可分為異常和外部中斷，異常是e300核心產生的，如出現非法指令，或者是訪問儲存空間時出現TLB Miss等情況。這種情況太複雜了，沒有深究，這裡所說的中斷為外部中斷。所謂外部中斷，就是通過e300外部引腳產生的中斷。E300的外部中斷主要有：int#, cint#, mcp#. 這三根pin分別對應一般中斷，critical中斷和machine
check中斷。

    在裝置驅動過程中，使用者可以使用request_irq函數將外設的插斷服務常式掛載到外部中斷處理常式中。外部中斷處理常式，可以直接處理硬體中斷，但是request_irq函數試用軟體中斷號進行掛載，因此linux必然採用了某種方式進行軟硬體中斷的映射。

    這裡需要瞭解下中斷向量表的概念，就是它將軟體中斷號與硬體中斷號聯絡起來，在系統中，中斷源有很多，當某一種中斷髮生時，處理器最早進入的是處理函數的地址，就是中斷向量。每種類型對應一個中斷向量號，一系列的中斷號構成中斷向量表。比如驅動程式關心的外部中斷，當這種中斷髮生時，處理器核心(e300)就會到指定寄存器中去取得中斷處理函數的入口地址。

    硬體中斷號是當中斷髮生時，處理器從外部的PIC(Programable Interrupt Controller)上讀到的數值。因為在PowerPC Linux中有dts的概念，驅動程式員需要知道自己所負責的裝置對應的device node上的interrupt項如何寫的問題，這裡的interrupt上的數字就是硬體中斷號。在Linux系統初始化期間，通過對PIC的配置，可以將硬體的串連轉化成相應的硬體中斷號，例如，8315上的8根外設中斷線IRQ0~IRQ7，可以通過PIC的配置，分別映射成的硬體中斷號為10~18，那麼當IRQ0上有插斷要求時，處理器通過讀取PIC，就得到P1所對應的硬體中斷號為10。這些都是硬體層面的東西，當驅動程式安裝它們的中斷處理常式時，是基於軟體中斷號的，也就是核心功能request_irq中的參數irq是個軟體中斷號。

    軟體中斷號是Linux下的概念，為了支援多平台的關係，Linux不直接用硬體中斷號索引irq_desc。所以當外部中斷髮生時，在外部中斷入口函數中會通過讀取PIC來獲得本次中斷的硬體中斷號，獲得硬體中斷號後，會將其映射成對應的軟體中斷號來索引irq_desc數組，從而獲得該軟體中斷號上的中斷處理函數。顯然，這種硬體中斷號到軟體中斷號的映射關係，應該在裝置可以處理中斷前就要建立好了。在Linux PowerPC中，這種映射關係是由函數irq_of_parse_and_map(struct
device_node *dev, int index)來完成的。

    注意：在8315中，關於MSI的硬體中斷號，可以在系統全域中斷向量寄存器SIVCR中查詢。另外，其實，如果沒有軟體中斷號，裝置驅動程式也能以硬體中斷號作索引掛載處理常式，從功能上說沒有任何問題。軟體中斷號的引入，是為了硬體中斷號對OS透明。這樣處理能減少OS對硬體平台的依賴性。

下面貼些核心的代碼，方便細細分析：

    linux使用結構體struct irq_map_entry irq_map[NR_IRQS]完成軟體與硬體的中斷號映射，一般系統自動尋找可用的軟體號以對應請求的硬體中斷號。

    在使用open firmware的系統中，驅動程式在執行ruquest_irq之前要先進行軟硬體中斷號的映射，具體通過函數:
irq_of_parse_and_map(struct device_node * dev, int index);
    實現，具體函數調用過程如下：
irq_create_of_mapping(struct device_node * controller, u32 * inspec, unsigned int intsize);
irq_create_mapping(struct irq_host *host, irq_hw_number_t hwirq);
    程式除了進行軟硬體中斷號的映射外還需要初始後相應結構。
下面看看與中斷相關的另外幾個主要資料結構：
1、結構體：struct irq_desc（include/linux/irq.h）

struct irq_desc {unsigned intirq;struct timer_rand_state *timer_rand_state;unsigned int            *kstat_irqs;#ifdef CONFIG_INTR_REMAPstruct irq_2_iommu      *irq_2_iommu;#endifirq_flow_handler_thandle_irq;struct irq_chip*chip;struct msi_desc*msi_desc;void*handler_data;void*chip_data;struct irqaction*action;/* IRQ action list */unsigned intstatus;/* IRQ status */unsigned intdepth;/* nested irq disables */unsigned intwake_depth;/* nested wake enables */unsigned intirq_count;/* For detecting broken IRQs */unsigned longlast_unhandled;/* Aging timer for unhandled count */unsigned intirqs_unhandled;raw_spinlock_tlock;#ifdef CONFIG_SMPcpumask_var_taffinity;const struct cpumask*affinity_hint;unsigned intnode;#ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQcpumask_var_tpending_mask;#endif#endifatomic_tthreads_active;wait_queue_head_t       wait_for_threads;#ifdef CONFIG_PROC_FSstruct proc_dir_entry*dir;#endifconst char*name;} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

這個結構體用來描述中斷源，是用來串連硬體中斷和驅動程式中通過request_irq註冊的中斷處理函數之間的橋樑。數組irq_desc[NR_IRQS](NR_IRQS＝225)中每一項都對應一個相應的中斷源，他的每一項對應著中斷向量表中的一項，即該數組的第一項對應著中斷向量表中的第32項（中斷向量號為0x20），往下依次對應。中斷向量表一共有256項。
部分成員解釋：
status：或者是0，或者是從一個特定的集合中抽取的一個標誌位(不太清楚)。這些標誌位代表了IRQ的狀態－－是否被禁止，有關IRQ的裝置當前是否正被自動檢測等。
chip:是一個指向hw_interrupt_type（或者irq_chip）的指標。其中定義的函數是平台相關的（更具體的，是中斷控制器相關的），很顯然不同平台的中斷控制器擁有不同的操作函數，比如enable, disable, mask, unmask某個中斷的操作。從平台移植的角度，chip屏蔽了底層硬體的不同，使得在核心中某些代碼成了平台無關性。但是對於不同平台的Linux，必須由BSP部分負責初始化irq_desc中的chip變數。

action:是一個指向由irqaction結構體組成的一個單向鏈表的頭的指標。若一個IRQ只被一個中斷源使用，那麼該鏈表的長度就是1，當有多個裝置共用一個中斷源時，該鏈表就會由多個irqaction結構體組成，下面對此有介紹。
depth：irq_desc_t的目前使用者的個數，主要用來保證事件正在處理的過程中IRQ不會被禁止。

從驅動程式開發人員角度，不需要直接調用chip中的函數。但是在驅動程式request_irq時，因為要在irq_desc所對應的某一項中安裝中斷處理函數，request_irq函數原型如下：
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)

其中第三個參數irqflags會影響到核心對chip中函數的調用，所以從這個角度而言，瞭解一些chip相關的中斷enable/disable/mask/unmask對驅動程式員是有協助的。
2、結構體：struct irqaction（include/linux/interrupt.h）

struct irqaction {irq_handler_t handler;unsigned long flags;const char *name;void *dev_id;struct irqaction *next;int irq;struct proc_dir_entry *dir;irq_handler_t thread_fn;struct task_struct *thread;unsigned long thread_flags;};

這個結構體包含了處理一種中斷所需要的各種資訊，它代表了核心接受到特定IRQ之後應該採取的操作。
主要成員：
handler—該指標所指向的函數就是在中斷服務程式，當中斷髮生時核心便會調用這個指標指向的函數。
flags：該標誌位可以是0，也可以是：SA_INTERRUPT(表示此中斷處理常式是一個快速中斷處理常式，在2.6中預設情況下沒有這個標誌)SA_SAMPLE_RANDOM（表示這個中斷對核心池有貢獻，我理解為就是在中斷時產生一些隨機數，這些隨機數被用來作為加密密匙，因為中斷是隨機發生的，如果某種中斷是有頻率的被產生，那麼它就不要設定此標誌位，還有就是那種裝置容易被攻擊也不應該設定此標誌位）SA_SHIRQ（此標誌位表示允許多個中斷服務程式共用一個中斷號，如不設則一個程式對應一個中斷線）。
mask：在x86上不會用到。
name：產生中斷的硬體的名字.
dev_id：該標誌位主要在共用中斷號時使用，即你設定flags=SA_SHIRQ時，有多個中斷服務程式共用一個中斷號時，核心就需要知道在用完中斷程式後該刪除那個中斷服務程式。不共用時此成員為null。
next：如果flags=SA_SHIRQ，那麼這就是指向對列中下一個struct irqaction結構體的指標，否則為空白。
irq:不用說這就是中斷號了。
3 結構體：struct hw_interrupt_type(include/linux/irq.h)

struct irq_chip {const char*name;unsigned int(*startup)(unsigned int irq);void(*shutdown)(unsigned int irq);void(*enable)(unsigned int irq);void(*disable)(unsigned int irq);void(*ack)(unsigned int irq);void(*mask)(unsigned int irq);void(*mask_ack)(unsigned int irq);void(*unmask)(unsigned int irq);void(*eoi)(unsigned int irq);void(*end)(unsigned int irq);int(*set_affinity)(unsigned int irq,const struct cpumask *dest);int(*retrigger)(unsigned int irq);int(*set_type)(unsigned int irq, unsigned int flow_type);int(*set_wake)(unsigned int irq, unsigned int on);void(*bus_lock)(unsigned int irq);void(*bus_sync_unlock)(unsigned int irq);/* Currently used only by UML, might disappear one day.*/#ifdef CONFIG_IRQ_RELEASE_METHODvoid(*release)(unsigned int irq, void *dev_id);#endif/* * For compatibility, ->typename is copied into ->name. * Will disappear. */const char*typename;};

它是用來描述中斷控制器的，也就是一個抽象的中斷控制器，其成員是一系列指向函數的指標。
typename：給相應的控制器起一個便於理解的名字。
startup：允許從給定的控制器的IRQ所產生的事件。（基本上與enable相同）
shutdown：禁止從給定的控制器的IRQ所產生的事件。（基本上與disable相同）
以上三個結構體的關係可以用下面一張圖來說明IRQ結構間的關係：

 

數組irq_desc_t用來描述中斷的相關資訊，它有225項，每一項代表一個中斷源，其中欄位irq(注意這個欄位就是中的handler欄位)，此結構體用來描述中斷控制器，action欄位用來描述處理一種中斷所需要的各種資訊，它代表了核心接受到特定IRQ之後應該採取的操作。