【Linux驱动】Linux的中断系统 | 中断的重要数据结构

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《Linux驱动》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

🏀Linux系统的中断

如上图所示，本喵使用的IMX6ULL也是ARM架构，中断也是异常的一种，CPU在运行的过程中，会被各种异常打断，包括：

• 未定义指令异常
• 指令、数据访问异常
• SWI(软中断)
• 快中断
• 中断

导致中断发生的情况有很多，比如：

• 按键
• 定时器
• ADC转化完成
• UART发生接收中断
• 等等

这些中断又汇集到中断控制器，由中断控制器选择优先级高的中断通知CPU。

CPU每执行完一条指令后都会检查是否有中断/异常产生，如果有的话就开始处理：

1. 保存现场

在IMUX6ULL中，现场完全是由软件保存的，不会像STM32F103一样硬件帮忙保存R0~R3寄存器的值到栈中。

2. 处理异常/中断

由硬件分辨出中是中断以后，去异常向量表中寻找中断处理函数，并且跳转执行。

如上图所示就是Linux内核或者是u-boot中的异常向量表。每一条指令对应一种异常：

• 发生复位时，CPU就去执行第 1 条指令：b reset。
• 发生中断时，CPU就去执行ldr pc, _irq这条指令。
  • 无论什么类型的中断，都是去执行这条指令，在_irq中断函数中由软件分辨具体的中断源。

这些指令存放的位置是固定的，比如本喵使用的IMX6ULL芯片，中断向量_irq的入口地址就是0x18，当发生中断时，CPU就强制跳转到0x18处执行代码。

在向量表里，一般放置的都是一条跳转指令，发生异常/中断时，CPU就会执行向量表中的跳转指令，去调用更复杂处理函数。

• 向量表的位置并不总是从 0 地址开始，很多芯片可以设置某个vector base寄存器，指定向量表在其他位置。

比如设置vector base为0x80000000， 指定为内存的某个地址，但是向量表中的各个异常向量的偏移地址是固定的：

• 复位向量偏移地址是0。
• 中断是 0x18。

?中断分类

中断中断，中断的是Linux中当前正在运行的进程和线程。

如上图所示，对于单核的CPU，此时有进程A和进程B两个进程在运行(Linux内核中认为线程是轻量级进程)：

• 在进程A运行的期间，产生了中断：
  • 保存A的现场
  • 执行中断处理函数
  • 没有更高优先级的进程，恢复A的现场
• 继续运行A进程。。。，产生了定时器中断(系统的心跳——时钟)：
  • 保存A的现场
  • A的时间片没有用完
  • 没有更高优先级的进程，恢复A的现场
• 继续运行A进程。。。，产生了定时器中断：
  • 保存A的现场
  • A的时间片用完了
  • 找出进程B的现场，恢复B的现场

在Linux中，中断的处理有两个原则：

• 中断不能嵌套。

假设中断可以嵌套的话会发生什么呢？

• 假设正在处理1号中断，此时更高优先级的2号中断产生了，在处理2号中断之前，要保存1号中断的现场。
• 开始处理2号中断，此时更高优先级的3号中断产生了，在处理3号中断之前，要保存2号中断的现场。
• …

如此嵌套下去，会导致栈空间不足，现场保存出现问题，从而导致系统奔溃，所以为了安全和简便，在Linux不允许中断嵌套。

• 中断越快越好。

如果中断的处理时间较长，Linux中的线程以及进程就无法得到执行，尤其是GUI的进程，这样就会导致整个系统非常卡顿。

软中断和硬中断

Linux 系统把中断的意义扩展了，对于按键中断等硬件产生的中断，称之为硬件中断(hard irq)。每个硬件中断都有对应的处理函数，比如按键中断、 网卡中断，处理它们的中断函数肯定不一样。

如上图所示，可以简单认为有一个硬件中断数组，里面存放着不同硬件中断处理函数的指针。

• 当发生A中断时，对应的irq_function_A函数被调用。

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除了硬件中断外，还人为的制造了软件中断，每一个软件中断也对应有一个中断处理函数。

如上图所示，也可以简单的认为有一个软件中断数组，里面存放着不同软件中断处理函数的指针。

• 当发生软件中断X时，对应的irq_function_X函数被调用。

软件中断的产生由flag决定，只要在软件中将其置为1就表示发生了该中断。

如上图所示，软件中断也有很多类型，我们比较常用的就是TASKLET_SOFTIRQ，它表示中断的下半部。

中断的上半部和下半部

如果一个中断处理必须要耗费比较长的时间来处理呢？比如键盘上的按键中断，它每产生一次后就需要扫描整个键盘，这是比较耗时的。

由于Linux中，中断不能嵌套，所以段时间内，系统是关中断的，此时就不会处理其他中断，再有中断产生时系统就会出问题。

为了遵循中断处理必须快的原则，可以将耗时较长的中断函数分为上半部分和下半部分：

• 上半部分处理紧急的事情。
• 下半部分处理不紧急的事情。

如上图所示，在中断的上半部中紧做紧急的事情，这个过程的中断是关闭的。比如给键盘发送信号，清除中断标志位，防止它不断向CPU发送中断信号，然后重新开中断。

在中断的下半部中处理那些不紧急的事，此时是开中断的，可以产生其他中断。

• 在处理完中断上半部时，通过软件触发中断下半部的处理。
• 中断下半部的处理发生在上半部处理完毕后。

?tasklet

当下半部比较耗时，并且处理比较简单时，可以使用tasklet来处理下半部，tasklet是软件中断一种类型。

如上图所示代码为执行中断处理的上半部和下半部流程，这样不清晰，画图来说明一下。

如上图所示是上半部和下半部的处理流程图，假设有中断A和中断B两个中断：

• 中断A发生：

1. 开始处理后，处于关中断状态，让preempt_count++，该值为1。
2. 执行中断上半部，处理紧急事情。
3. 将preempt_count--，该值为0。
4. 判断preempt_count是否非0，此时是0，不符合条件，执行N分支。
5. 再让preempt_count++，此时该值为1。
6. 开中断，允许其他中断产生。
7. 执行中断下半部，处理不紧急事情。
8. 处理完毕后关中断。
9. 再让preempt_count--，此时该值为0。

整个中断流程走完后会重新打开中断。

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• 中断A处理的过程中，再次发生A中断或者中断B发生：

1. 开始处理后，处于关中断状态，让preempt_count++，该值为1。
2. 执行中断上半部，处理紧急事情。
3. 将preempt_count--，该值为0。
4. 判断preempt_count是否非0，此时是0，不符合条件，执行N分支。
5. 再让preempt_count++，此时该值为1。
6. 开中断，允许其他中断产生。

在中断A执行下半部的时候，被其他中断打了，于是开始处理新的中断：

1. 开始处理新中断后，处于关中断状态，让preempt_count++，该值为2。
2. 执行新中断的上半部。
3. 让preempt_count--，该值为1。
4. 判断preempt_count是否非0，此时是1不是0，执行Y分支，直接退出新中断的处理。

新中断退出时重新打开了中断，允许其他中断产生。

7. 恢复中断A的下半部处理，接着执行中断A的下半部。
8. 处理完毕后关中断。
9. 再让preempt_count--，此时该值为0。

• 由于preempt_count的存在，新中断仅处理了上半部，没有处理下半部就直接退出了。
• 被打断的中断A下半部没有受到影响，仍然恢复了执行。

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中断的上半部和下半部是N : 1的关系，无论产生多少次相同类型的中断，中断的上半部会执行多次，但是中断的下半部只执行一次。

如果在处理中断A的下半部时，产生的是B中断，并且B中断的下半部是另一个软件中断，那么在B中断处理完上半部退出后：

• 先恢复中断A的下半部继续处理。
• 中断A的下半部处理完毕后，再去处理中断B的下半部。

?工作队列

在中断下半部的执行过程中，虽然是开中断的，期间可以处理各类中断。但是毕竟整个中断的处理还没走完，这期间进程是无法执行的。

假设下半部要执行 1~2 分钟，在这 1~2 分钟里进程都是无法响应的，Linux中根本无法忍受这种情况，所以，如果中断下半部要做的事情实在太耗时，那就不能用软件中断来做，而应该用内核线程来做：

• 在中断上半部唤醒内核线程，用内核线程去处理中断下半部。
• 此时内核线程和应用层线程都一起竞争CPU资源，系统不会卡顿。

• 内核线程是Linux系统帮我们创建的，线程名为kworker。

kworker线程会去工作队列work queu中取出一个一个工作work，来执行它里面的函数。

所以在使用内核线程处理中断的下半部时：

1. 创建并填充work结构体：

如上图所示，先创建一个work结构体，然后调用DECLARE_WORK把要让内核线程执行的函数指针填充到work结构体中。

2. 将work结构体提交给work queue，调用schedule_work实现。
3. 执行work中的中断下半部函数。
   • 到底由谁执行不用我们管。
   • schedule_work还会把内核线程kworker唤醒。

• 在中断场景中，可以在中断上半部调用schedule_work函数将work结构体提供给work queue。
• 既然此时中断下半部是在线程中运行，那对应的函数就可以阻塞和休眠，并不会影响其他进程和线程。

?threaded_irq

用kworker内核线程来处理中断下半部时，一个kworker 线程只能由一个 CPU 执行， 多个中断的work都放在work queue中由同一个kworker线程来处理，在单 CPU 系统中是没有问题的。

但是在多核系统中，明明有那么多 CPU 空着，偏偏让多个中断的下半部挤在一个CPU上处理并不合适。

新技术threaded_irq可以为每一个中断的下半部都创建一个内核线程，多个中断的下半部内核线程可以分配到多个CPU上执行，提高了效率。

如上图所示request_threaded_irq函数，用来为每一个中断下半部创建一个线程。

• irq：表示哪个中断，后面本喵再详细讲解。
• handler：中断上半部处理函数，可以为空。
• thread_fn：中断下半部内核线程处理函数。

其他参数在用到时候再进行说明。

🏀Linux中断系统中的重要数据结构

如上图所示便是Linux系统中最重要的数据结构，弄明白这个图也就了解了Linux的中断系统。

前面说，硬件中断和软件中断的处理函数放在一个数组中，确实是这样，只是这个数组是一个结构体数组，而核心便是irq_desc结构体。

如上图所示中断结构图，产生中断时：

• 外部设备1~外部设备n共享一个GPIO中断B，该中断是GPIO中的某一个引脚。
• 多个GPIO中断汇聚到GIC(通用中断控制器)的A号中断。
• GIC再去中断CPU，来处理中断源。

CPU处理中断时：

• 先读取GIC中的寄存器获得中断号A。
• 再从GPIO中得到中断号B。
• 最后判断是哪一个外部设备发生了中断。

?irq_desc数组

irq_desc数组中的每一个元素都是irq_desc结构体。

如上图所示irq_desc结构体的定义，irq_desc数组中的每一项都有一个函数指针handle_irq，还有一个action链表。

CPU在处理中断时，中断处理函数的来源有三个：

1. GIC的中断处理函数：

• CPU根据GIC中的寄存器，确定了中断号A，从而去调用中断处理函数irq_desc[A].handle_irq。

• 该函数会读取GPIO控制器中的寄存器，确定是哪个引脚发生了中断，从而确定中断号B，再去调用irq_desc[B].handle_irq函数。

• 中断A是CPU感受到的顶层中断。

2. 模块的中断处理函数：

对于GPIO模块的中断B，BSP开发人员会设置对应的处理函数，一般是：

• handle_level_irq：电平触发处理函数。
• handle_edge_irq：边沿触发处理函数。

但是此时中断B是一个共享中断，该引脚上的外部设备1~外部设备n都可能产生中断，可能是一个设备，也可能是多个设备。

所以irq_desc[B].handle_irq需要判断是哪个外部设备产生的中断。

如上图所示，此时就会遍历irq_desc[B]结构体中的action链表，链表中的每一项都能代表一个外部设备，并且有外部设备的中断处理函数。

• 从链表中能找到产生中断的外部设备。进而调用外部设备的中断处理函数。
• 遍历寻找和调用同样是由BSP开发工程师实现的。

3. 外部设备提供的中断处理函数：

外部设备可能是芯片，也可能总是简单的按键，它们的中断处理函数由自己的驱动程序提供，因为：

• 它是最熟悉这个设备的人。
• 它知道如何判断设备是否发生了中断。
• 它知道发生了中断后该如何处理。

所以对于共享中断B，它的irq_desc[B]结构体中的action链表中就会存放着多个外部设备的中断处理函数。

一旦irq_desc[B].handle_irq中断处理函数确定是哪个外部设备产生了外部中断，就会调用外部设备的中断处理函数。

• 根据上面分析，虽然GIC中断控制器和GPIO中断控制器有上下级之分，但是它们所包含的中断号都在irq_desc数组中。

?irqaction结构体

iqr_desc[B]中的链表action里，每一项都是irqaction结构体变量。

如上图所示irqaction结构体的定义，当外部设备的驱动程序调用request_irq和request_threaded_irq注册中断处理函数时，内核就会构造一个irqaction结构体变量，而且会初始化name，dev_id等成员。

• 只用request_irq注册中断处理函数时，注册的就是上半部，意味着完全由上半部来处理。

最重要的是handler和thread_fn以及thread三个成员：

• handler：是中断处理函数的上半部，用来处理紧急的事情。
• thread_fn：是内核线程中断处理函数的下半部，用来处理不紧急且耗时的事情。
• thread：是用来处理中断下半部的内核线程，当handler执行完毕后，Linux会唤醒该内核线程，执行thread_fn中断下半部处理函数。

在初始化这三个成员时，要注意：

• 可以不提供handler只提供thread_fn，完全由内核线程来处理中断。
• 也可以既提供handler也提供thread_fn，这就是中断上半部、下半部。

至于dev_id成员，是在调用request_irq时传入的，该成员有两个作用：

• 中断处理函数执行时，能够用得上dev_id。
• 卸载中断时要传入dev_id，这样才能在action链表中根据dev_id找到对应项。
  • 所以在共享中断中必须提供dev_id，非共享中断可以不提供。

?irq_data结构体

在irq_des数组的每个成员，如irq_desc[A]中，除了有struct iqraction类型的链表action外，还有类型是struct iqr_data的成员irq_data。

如上图所示irq_data结构体的定义，它就是个中转站，里面有irq_chip指针和irq_domain指针，都是指向别的结构体。

• irq：软件中断号(虚拟中断号)。
• hirq：硬件中断号。

• 这里的软件中断号是软件根据硬件中断号映射出来的，和前面的软件中断的中断号不同。
• 通过软件中断号可以在irq_desc数组中找到相应中断的处理函数，如irq_desc[B].handler_irq。

我们在驱动程序中使用request_irq和request_threaded_irq注册中断处理函数的时候，传入的irq参数就是这个虚拟的软件中断号。

irq_data中的irq_domain成员会建立hirq和irq之间的映射关系，将hirq映射为全局的irq。

irq_domain结构体：

如上图所示，irq_domain结构体中有一个irq_domain_ops结构体成员，里面存放有xlate函数和map函数：

• xlate：用来解析设备树中的中断属性，提取出hwirq，type等信息。
• map：把hwirq转化为irq。

假设现在有gpio1_5和gpio2_5俩个引脚是中断源，此时这两组使用的硬件中断号hirq都是5，只通过hirq是无法区别这两个引脚的。

此时就需要根据gpio1和gpio2各自的irq_domain结构体使用xlate来区分了，并且使用map将这两个硬件中断号转化成两个不同的软件中断号。

• 将转化后的hirq和irq的映射关系存放到linear_revmap成员数组中。

此时就能根据硬件中断号hirq直接找到映射出来的软件中断号irq了。

irq_chip结构体：

如上图所示irq_chip结构体的定义，这个结构体跟芯片息息相关，作用就是对GPIO等中断控制器模块中的中断源进行使能等操作。

• irq_enable：使能中断。
• irq_disable：使能中断。
• irq_mask：屏蔽中断。
• irq_unmask：解除屏蔽。

我们在request_irq注册了中断后，并不需要手工去使能中断，原因就是系统会调用irq_chip里的函数帮我们使能。

我们提供的中断处理函数中，也不需要执行主芯片相关的清中断操作，也是因为系统会帮我们调用irq_chip中的相关函数。

但是对于外部设备相关的清中断操作，还是需要我们自己做的。 就像上图里的外部设备 1~外部设备 n，因为外设备千变万化，内核里可没有对应的清除中断操作。

🏀总结

对于Linux系统的中断，要知道有软件中断和硬件中断，并且将比较耗时但处理简单的中断程序分为上半部和下半部：

• 处理上半部时是关中断的，此时无法产生其他中断。
• 处理下半部时是开中断的，可以产生其他中断。

对于中断下半部，又分为三种处理方式：

• 软件中断tasklet。
• 内核线程kworker，只有一个内核线程去处理多个中断下半部。
• threaded_irq，为每一个中断的下半部创建一个内核线程。

要了解Linux中是如何描述和处理中断的，清除irq_desc数组的大致构成和工作原理。