Linux中斷子系統(tǒng)-通用框架處理
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(tǒng)（一）-中斷控制器及驅(qū)動分析》講到了底層硬件GIC驅(qū)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(guān)層。當(dāng)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(shè)觸發(fā)中斷信號時，最終是怎么調(diào)用到中斷handler的（ 中斷處理）？
2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析
先來看一下總的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，核心是圍繞著struct irq_desc來展開：
Linux內(nèi)核的中斷處理，圍繞著中斷描述符結(jié)構(gòu)
struct irq_desc展開，內(nèi)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(xù)），中斷描述符以radix-tree來組織，用戶在初始化時進(jìn)行動態(tài)分配，然后再插入radix-tree中；關(guān)閉 CONFIG_SPARSE_IRQ宏（中斷編號連續(xù)），中斷描述符以數(shù)組的形式組織，并且已經(jīng)分配好；不管哪種形式，都可以通過 linux irq號來找到對應(yīng)的中斷描述符；圖的左側(cè)灰色部分，主要在中斷控制器驅(qū)動中進(jìn)行初始化設(shè)置，包括各個結(jié)構(gòu)中函數(shù)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(yīng)，完成的工作是硬件中斷號到Linux irq的映射；圖的上側(cè)灰色部分，中斷描述符的創(chuàng)建（這里指
CONFIG_SPARSE_IRQ），主要在獲取設(shè)備中斷信息的過程中完成的，從而讓設(shè)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(shè)備申請注冊中斷的過程中進(jìn)行設(shè)置，比如
struct irqaction中handler的設(shè)置，這個用于指向我們設(shè)備驅(qū)動程序中的中斷處理函數(shù)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(chuàng)建好irq_desc中斷描述符；中斷注冊時，先獲取設(shè)備的中斷號，根據(jù)中斷號找到對應(yīng)的 irq_desc，并將設(shè)備的中斷處理函數(shù)添加到irq_desc中；設(shè)備觸發(fā)中斷信號時，根據(jù)硬件中斷號得到 Linux irq中斷號，找到對應(yīng)的irq_desc，最終調(diào)用到設(shè)備的中斷處理函數(shù)；
上述的描述比較簡單，更詳細(xì)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？
熟悉設(shè)備驅(qū)動的同學(xué)應(yīng)該都清楚，經(jīng)常會在驅(qū)動程序中調(diào)用 request_irq()接口或者request_threaded_irq()接口來注冊設(shè)備的中斷處理函數(shù)；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(shè)備的中斷號的呢？
先來看第二個問題：設(shè)備硬件中斷號到
Linux irq中斷號的映射
硬件設(shè)備的中斷信息都在設(shè)備樹 device tree中進(jìn)行了描述，在系統(tǒng)啟動過程中，這些信息都已經(jīng)加載到內(nèi)存中并得到了解析；驅(qū)動中通常會使用 platform_get_irq或irq_of_parse_and_map接口，去根據(jù)設(shè)備樹的信息去創(chuàng)建映射關(guān)系（硬件中斷號到linux irq中斷號映射）；《Linux中斷子系統(tǒng)（一）-中斷控制器及驅(qū)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(diào)該irq domain中的函數(shù)集，通常irq domain都是在中斷控制器驅(qū)動中初始化的，以ARM GICv2為例，最終回調(diào)到gic_irq_domain_hierarchy_ops中的函數(shù)；如果已經(jīng)創(chuàng)建好了映射，那么可以直接進(jìn)行返回 linux irq中斷號了，否則的話需要irq_domain_alloc_irqs來創(chuàng)建映射關(guān)系；irq_domain_alloc_irqs完成兩個工作：針對 linux irq中斷號創(chuàng)建一個irq_desc中斷描述符；調(diào)用 domain->ops->alloc函數(shù)來完成映射，在ARM GICv2驅(qū)動中對應(yīng)gic_irq_domain_alloc函數(shù)，這個函數(shù)很關(guān)鍵，所以下文介紹一下；
gic_irq_domain_alloc函數(shù)如下：
gic_irq_domain_translate：負(fù)責(zé)解析出設(shè)備樹中描述的中斷號和中斷觸發(fā)類型（邊緣觸發(fā)、電平觸發(fā)等）；gic_irq_domain_map：將硬件中斷號和linux中斷號綁定到一個結(jié)構(gòu)中，也就完成了映射，此外還綁定了irq_desc結(jié)構(gòu)中的其他字段，最重要的是設(shè)置了irq_desc->handle_irq的函數(shù)指針，這個最終是中斷響應(yīng)時往上執(zhí)行的入口，這個是關(guān)鍵，下文講述中斷處理過程時還會提到；根據(jù)硬件中斷號的范圍設(shè)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；
上述函數(shù)執(zhí)行完成后，完成了兩大工作：
硬件中斷號與Linux中斷號完成映射，并為Linux中斷號創(chuàng)建了 irq_desc中斷描述符；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的綁定及初始化，關(guān)鍵的地方是設(shè)置了中斷處理往上執(zhí)行的入口；
再看第一個問題：中斷是怎么來注冊的？
設(shè)備驅(qū)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(biāo)志位：
#define IRQF_SHARED 0x00000080 //多個設(shè)備共享一個中斷號，需要外設(shè)硬件支持#define IRQF_PROBE_SHARED 0x00000100 //中斷處理程序允許sharing mismatch發(fā)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(jìn)行中斷均衡處理#define IRQF_IRQPOLL 0x00001000 //中斷被用作輪訓(xùn)#define IRQF_ONESHOT 0x00002000 //一次性觸發(fā)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(guān)閉狀態(tài)，直到該中斷源上的所有thread_fn函數(shù)都執(zhí)行完#define IRQF_NO_SUSPEND 0x00004000 //系統(tǒng)休眠喚醒操作中，不關(guān)閉該中斷#define IRQF_FORCE_RESUME 0x00008000 //系統(tǒng)喚醒過程中必須強(qiáng)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(tǒng)喚醒過程中在syscore階段resume，而不用等到設(shè)備resume階段#define IRQF_COND_SUSPEND 0x00040000 //與NO_SUSPEND的用戶共享中斷時，執(zhí)行本設(shè)備的中斷處理函數(shù)
request_irq也是調(diào)用request_threaded_irq，只是在傳參的時候，線程處理函數(shù)thread_fn函數(shù)設(shè)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(jīng)創(chuàng)建好，可以通過irq_to_desc接口去獲取對應(yīng)的irq_desc；創(chuàng)建 irqaction，并初始化該結(jié)構(gòu)體中的各個字段，其中包括傳入的中斷處理函數(shù)賦值給對應(yīng)的字段；__setup_irq用于完成中斷的相關(guān)設(shè)置，包括中斷線程化的處理：中斷線程化用于減少系統(tǒng)關(guān)中斷的時間，增強(qiáng)系統(tǒng)的實時性； ARM64默認(rèn)開啟了 CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING，引導(dǎo)參數(shù)傳入threadirqs時，則除了IRQF_NO_THREAD外的中斷，其他的都將強(qiáng)制線程化處理；中斷線程化會為每個中斷都創(chuàng)建一個內(nèi)核線程，如果中斷進(jìn)行共享，對應(yīng) irqaction將連接成鏈表，每個irqaction都有thread_mask位圖字段，當(dāng)所有共享中斷都處理完成后才能unmask中斷，解除中斷屏蔽；
3.2 中斷處理
當(dāng)完成中斷的注冊后，所有結(jié)構(gòu)的組織關(guān)系都已經(jīng)建立好，剩下的工作就是當(dāng)信號來臨時，進(jìn)行中斷的處理工作。
來回顧一下《Linux中斷子系統(tǒng)（一）-中斷控制器及驅(qū)動分析》中的Arch-specific處理流程：
中斷收到之后，首先會跳轉(zhuǎn)到異常向量表的入口處，進(jìn)而逐級進(jìn)行回調(diào)處理，最終調(diào)用到 generic_handle_irq來進(jìn)行中斷處理。
generic_handle_irq處理如下圖：
generic_handle_irq函數(shù)最終會調(diào)用到desc->handle_irq()，這個也就是對應(yīng)到上文中在建立映射關(guān)系的過程中，調(diào)用irq_domain_set_info函數(shù)，設(shè)置好了函數(shù)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(diào)用action->handler()函數(shù)，這個函數(shù)正是設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用request_irq/request_threaded_irq接口注冊的中斷處理函數(shù)，此外如果中斷線程化處理的話，還會調(diào)用__irq_wake_thread()喚醒內(nèi)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(diào)用中斷控制器的處理函數(shù)進(jìn)行硬件操作，該函數(shù)調(diào)用action->handler()來進(jìn)行中斷處理；
來看看中斷線程化處理后的喚醒流程吧__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread：
__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread將喚醒irq_thread中斷內(nèi)核線程；irq_thread內(nèi)核線程，將根據(jù)是否為強(qiáng)制中斷線程化對函數(shù)指針handler_fn進(jìn)行初始化，以便后續(xù)進(jìn)行調(diào)用；irq_thread內(nèi)核線程將while(!irq_wait_for_interrupt)循環(huán)進(jìn)行中斷的處理，當(dāng)滿足條件時，執(zhí)行handler_fn，在該函數(shù)中最終調(diào)用action->thread_fn，也就是完成了中斷的處理；irq_wait_for_interrupt函數(shù)，將會判斷中斷線程的喚醒條件，如果滿足了，則將當(dāng)前任務(wù)設(shè)置成TASK_RUNNING狀態(tài)，并返回0，這樣就能執(zhí)行中斷的處理，否則就調(diào)用schedule()進(jìn)行調(diào)度，讓出CPU，并將任務(wù)設(shè)置成TASK_INTERRUPTIBLE可中斷睡眠狀態(tài)；
3.3 總結(jié)
中斷的處理，總體來說可以分為兩部分來看：
從上到下：圍繞 irq_desc中斷描述符建立好連接關(guān)系，這個過程就包括：中斷源信息的解析（設(shè)備樹），硬件中斷號到Linux中斷號的映射關(guān)系、irq_desc結(jié)構(gòu)的分配及初始化（內(nèi)部各個結(jié)構(gòu)的組織關(guān)系）、中斷的注冊（填充irq_desc結(jié)構(gòu)，包括handler處理函數(shù)）等，總而言之，就是完成靜態(tài)關(guān)系創(chuàng)建，為中斷處理做好準(zhǔn)備；從下到上，當(dāng)外設(shè)觸發(fā)中斷信號時，中斷控制器接收到信號并發(fā)送到處理器，此時處理器進(jìn)行異常模式切換，并逐步從處理器架構(gòu)相關(guān)代碼逐級回調(diào)。如果涉及到中斷線程化，則還需要進(jìn)行中斷內(nèi)核線程的喚醒操作，最終完成中斷處理函數(shù)的執(zhí)行。
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