linux内核分析--中断的分类

写在前面：这篇文章比较宽泛的写了关于中断的一些内容，包括中断的定义，中断的分类，计算机内部硬件产生中断的过程，以及中断的未来展望。但是并没有详细介绍中断处理过程。

什么是中断

Linux 内核需要对连接到计算机上的所有硬件设备进行管理，毫无疑问这是它的份内事。如果要管理这些设备，首先得和它们互相通信才行，一般有两种方案可实现这种功能：

1. 轮询（polling） 让内核定期对设备的状态进行查询，然后做出相应的处理；
2. 中断（interrupt） 让硬件在需要的时候向内核发出信号（变内核主动为硬件主动）。

第一种方案会让内核做不少的无用功，因为轮询总会周期性的重复执行，大量地耗用 CPU 时间，因此效率及其低下，所以一般都是采用第二种方案 。

        对于中断的理解我们先看一个生活中常见的例子:QQ。第一种情况:你正在工作,然后你的好友突然给你发送了一个窗口抖动,打断你正在进行的工作。第二种情况:当然你有时候也会每隔 5 分钟就去检查一下 QQ 看有没有好友找你,虽然这很浪费你的时间。在这里,一次窗口抖动就可以被相当于硬件的中断,而你就相当于 CPU,你的工作就是 CPU 这在执行的进程。而定时查询就被相当于 CPU 的轮询。在这里可以看到:同样作为 CPU 和硬件沟通的方式,中断是硬件主动的方式,较轮询(CPU 主动)更有效些,因为我们都不可能一直无聊到每隔几分钟就去查一遍好友列表。

        CPU 有大量的工作需要处理,更不会做这些大量无用功。当然这只是一般情况下。好了,这里又有了一个问题,每个硬件设备都中断,那么如何区分不同硬件呢?不同设备同时中断如何知道哪个中断是来自硬盘、哪个来自网卡呢?这个很容易,不是每个 QQ 号码都不相同吗?同样的,系统上的每个硬件设备都会被分配一个 IRQ 号,通过这个唯一的 IRQ 号就能区别张三和李四了。

       从物理学的角度看，中断是一种电信号，由硬件设备产生，并直接送入中断控制器（如 8259A）的输入引脚上，然后再由中断控制器向处理器发送相应的信号。处理器一经检测到该信号，便中断自己当前正在处理的工作，转而去处理中断。此后，处理器会通知 OS 已经产生中断。这样，OS 就可以对这个中断进行适当的处理。不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个唯一的数字标识，这些值通常被称为中断请求线。  

APIC vs 8259A

       X86计算机的 CPU 为中断只提供了两条外接引脚：NMI 和 INTR。其中 NMI 是不可屏蔽中断，它通常用于电源掉电和物理存储器奇偶校验；INTR是可屏蔽中断，可以通过设置中断屏蔽位来进行中断屏蔽，它主要用于接受外部硬件的中断信号，这些信号由中断控制器传递给 CPU。

常见的中断控制器有两种：

1. 可编程中断控制器8259A

传统的 PIC（Programmable Interrupt Controller）是由两片 8259A 风格的外部芯片以“级联”的方式连接在一起。每个芯片可处理多达 8 个不同的 IRQ。因为从 PIC 的 INT 输出线连接到主 PIC 的 IRQ2 引脚，所以可用 IRQ 线的个数达到 15 个，如图 1 所示。

图 1：8259A 级联原理图

2. 高级可编程中断控制器（APIC）

8259A 只适合单 CPU 的情况，为了充分挖掘 SMP 体系结构的并行性，能够把中断传递给系统中的每个 CPU 至关重要。基于此理由，Intel 引入了一种名为 I/O 高级可编程控制器的新组件，来替代老式的 8259A 可编程中断控制器。该组件包含两大组成部分：一是“本地 APIC”，主要负责传递中断信号到指定的处理器；举例来说，一台具有三个处理器的机器，则它必须相对的要有三个本地 APIC。另外一个重要的部分是 I/O APIC，主要是收集来自 I/O 装置的 Interrupt 信号且在当那些装置需要中断时发送信号到本地 APIC，系统中最多可拥有 8 个 I/O APIC。

每个本地 APIC 都有 32 位的寄存器，一个内部时钟，一个本地定时设备以及为本地中断保留的两条额外的 IRQ 线 LINT0 和 LINT1。所有本地 APIC 都连接到 I/O APIC，形成一个多级 APIC 系统，如图 2 所示。

图 2：多级I/O APIC系统

目前大部分单处理器系统都包含一个 I/O APIC 芯片，可以通过以下两种方式来对这种芯片进行配置：

1) 作为一种标准的 8259A 工作方式。本地 APIC 被禁止，外部 I/O APIC 连接到 CPU，两条 LINT0 和 LINT1 分别连接到 INTR 和 NMI 引脚。

2) 作为一种标准外部 I/O APIC。本地 APIC 被激活，且所有的外部中断都通过 I/O APIC 接收。

辨别一个系统是否正在使用 I/O APIC，可以在命令行输入如下命令：

# cat /proc/interrupts
           CPU0       
  0:      90504    IO-APIC-edge  timer
  1:        131    IO-APIC-edge  i8042
  8:          4    IO-APIC-edge  rtc
  9:          0    IO-APIC-level  acpi
 12:        111    IO-APIC-edge  i8042
 14:       1862    IO-APIC-edge  ide0
 15:         28    IO-APIC-edge  ide1
177:          9    IO-APIC-level  eth0
185:          0    IO-APIC-level  via82cxxx
...

如果输出结果中列出了 IO-APIC，说明您的系统正在使用 APIC。如果看到 XT-PIC，意味着您的系统正在使用 8259A 芯片。

在CPU中集成了APIC，在SMP上，主板上有一个（至少一个，有的主板有多个IO-APIC，用来更好的分发中断信号）全局的APIC，它负责从外设接收中断信号，再分发到CPU上，这个全局的APIC被称作IO-APIC。还有一部分是“本地 APIC”，主要负责传递中断信号到指定的处理器；举例来说，一台具有三个处理器的机器，则它必须相对的要有三个本地 APIC。

中断分类

       中断，广义的来说通常被定义为一个事件，该事件触发改变处理器执行指令的顺序。狭义地来说，针对80x86体系，中断被分为中断和异常，又叫同步中断和异步中断。注意广义的中断和狭义的中断千万不要混淆，以后我的博文中所有所谓的“中断”二字，就是指狭义的中断，即Linux处理80x86异步中断的细节。我们首先必须好好理清一下80x86体系中，

中断可分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：

1. 同步中断是当指令执行时由 CPU 控制单元产生，之所以称为同步，是因为只有在一条指令执行完毕后 CPU 才会发出中断，而不是发生在代码指令执行期间，比如系统调用。

2. 异步中断是指由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机产生，即意味着中断能够在指令之间发生，例如键盘中断。

（PS:总结为一句话：中断时由硬件产生的异步中断,而异常则是处理器产生的同步中断）

根据 Intel 官方资料，同步中断称为异常（exception），异步中断被称为中断（interrupt）。

中断可分为可屏蔽中断（Maskable interrupt）和非屏蔽中断（Nomaskable interrupt）。异常可分为故障（fault）、陷阱（trap）、终止（abort）三类。

从广义上讲，中断可分为四类：中断、故障、陷阱、终止。这些类别之间的异同点请参看 表 1。

X86 体系结构的每个中断都被赋予一个唯一的编号或者向量（8 位无符号整数）。非屏蔽中断和异常向量是固定的，而可屏蔽中断向量可以通过对中断控制器的编程来改变。

中断：
1.      可屏蔽中断：当中断被屏蔽，则CPU控制单元就忽略它。这里提一下，所有的IRQ中断都是可屏蔽中断。
2.      非可屏蔽中断：总由CPU辨认并处理。所以，其为非常紧急的硬件故障。

向量中断——由硬件提供中断服务程序入口地址，当中断为向量中断时，直接跳转到预先提供的中断服务程序执行，这种处理方式响应速度快
非向量中断——由软件件提供中断服务程序入口地址。当中断为非向量中断时，无论是什么外部中断源发出的中断，cpu将跳到指定的一段程序执行（称为中断解析程序），在解析程序里，通过判断相应的中断状态寄存器找到对应的中断源，跳转到相应的中断执行程序。有点类似软件中断的处理方式，但是软中断（SWI）与非向量中断不同，它的入口是0x0000,0008。进入软中断后，系统变为管理模式。而非向量中断入口是0x0000,0018。它引导系统进入fiq/irq模式。这种处理方式简单，但是要通过软件查询来判断具体的中断服务程序，所有延迟时间较长.

         向量中断模式用于RESET、NMI、异常处理。当向量中断产生时，控制器直接将PC赋值，如跳到0x0000000d处，而在0x0000000d地址处通常放置ISR服务程序地址LDR PC, =ISR_HANDLER。
        非向量中断模式，有一个寄存器标识位，跳转到统一的函数地址，此函数通过判别寄存器标识位和优先级关系进行中断处理。向量中断模式是当CPU读取位于0x18处的IRQ中断指令的时候，系统自动读取对应于该中断源确定地址上的指令取代0x18处的指令，通过跳转指令系统就直接跳转到对应地址函数中，节省了中断处理时间提高了中断处理速度。例如 ADC 中断的向量地址为0xC0,则在0xC0处放如下代码：ldr PC,=HandlerADC 当ADC中断产生的时候系统会自动跳转到HandlerADC函数中处理中断。
      非向量中断模式处理方式是一种传统的中断处理方法，当系统产生中断的时候，系统将INTPND寄存器中对应标志位置位，然后跳转到位于0x18处的统一中断函数中；该函数通过读取INTPND寄存器中对应标志位来判断中断源，并根据优先级关系再跳到对应中断源的处理代码中处理中断。

Linux 2.6 中断处理原理简介

中断描述符表（Interrupt Descriptor Table，IDT）是一个系统表，它与每一个中断或异常向量相联系，每一个向量在表中存放的是相应的中断或异常处理程序的入口地址。内核在允许中断发生前，也就是在系统初始化时，必须把 IDT 表的初始化地址装载到 idtr 寄存器中，初始化表中的每一项。

当处于实模式下时，IDT 被初始化并由 BIOS 程序所使用。然而，一旦 Linux 开始接管，IDT 就被移到 ARM 的另一个区域，并进行第二次初始化，因为 Linux 不使用任何 BIOS 程序，而使用自己专门的中断服务程序（例程）（interrupt service routine，ISR）。中断和异常处理程序很像常规的 C 函数

有三个主要的数据结构包含了与 IRQ 相关的所有信息：hw_interrupt_type、irq_desc_t 和irqaction，图3 解释了它们之间是如何关联的。

图 3：IRQ 结构之间的关系

在 X86 系统中，对于 8259A 和 I/O APIC 这两种不同类型的中断控制器，hw_interrupt_type 结构体被赋予不同的值，

在中断初始化阶段，调用 hw_interrupt_type 类型的变量初始化 irq_desc_t 结构中的handle 成员。在早期的系统中使用级联的8259A，所以将用i8259A_irq_type 来进行初始化，而对于SMP系统来说，要么以ioapic_edge_type，或以ioapic_level_type 来初始化handle 变量。

对于每一个外设，要么以静态（声明为 static 类型的全局变量）或动态（调用 request_irq 函数）的方式向 Linux 内核注册中断处理程序。不管以何种方式注册，都会声明或分配一块irqaction 结构（其中handler 指向中断服务程序），然后调用setup_irq() 函数，将irq_desc_t 和irqaction 联系起来。

当中断发生时，通过中断描述符表 IDT 获取中断服务程序入口地址，对于 32≤ i ≤255（i≠128） 之间的中断向量，将会执行push $i-256,jmp common_interrupt 指令。随之将调用do_IRQ() 函数，以中断向量为irq_desc[] 结构的下标，获取action 的指针，然后调用handler 所指向的中断服务程序。

从以上描述，我们不难看出整个中断的流程，如图 4 所示：

图 4：X86中断流

中断线程化

中断线程化是实现Linux实时性的一个重要步骤，在Linux标准内核中，中断时最高优先级的执行单元，不管内核代码当时处理什么，只要有中断事件，系统将立即响应改事件并执行相应的中断处理代码，除非当时中断禁用。因此，如果系统有严重的网络或I/O负载，中断将非常频繁，实时任务将很难有机会运行，也就是说毫无实时性可言。

• 应用背景

Linux实时性的要求，中断线程化之后，中断将作为内核线程运行而且赋予不同的实时优先级，实时任务可以有比中断线程更高的优先级，这样，实时任务就可以作为最高优先级的执行单元来运行，即使在严重负载下仍有实时性保证。

中断线程化的另一个重要原因是spinlock被mutex取代。中断处理代码中大量地使用了spinlock，当spinlock被mutex取代之后，中断处理代码就有可能因为得不到锁而需要被挂到等待队列上，但是只有可调度的进程才可以这么做，如果中断处理代码仍然使用原来的spinlock，则spinlock取代mutex的努力将大打折扣，因此为了满足这一要求，中断必须被线程化，包括IRQ和softirq。

• 实现原理

现在的线程化是作为内核R-T Patch实现的，并不是主流，是一个实时补丁。我们简单看一下其整个实现流程。[4][5]

中断初始化：对于向量表的初始化在系统引导时就已经开始了。通过调用setupidt将向量表中的每一项都初始化为默认的中断服务例程ignoreint。这个默认的例程只是打印中断向量号，因此需要进一步初始化；在调用startkernel()函数进行内核初始化时，将调用initIRQ()函数对中断进行第二次初始化，将IRQi对应的IDT表项设成interrupti，这部分已经运行于保护模式下。在startkernel结尾处调用我们的线程初始化函数inithardirqs，该函数为每个IRQ创建一个内核线程。最高实时优先级为50，依次类推直到25，因此任何IRQ 线程的最低实时优先级为25。

中断处理过程：如果某个中断号状态位中的 IRQNODELAY 被置位，那么该中断不能被线程化。在中断处理阶段，两者之间的异同点主要体现在：两者相同的部分是当发生中断时，CPU 将调用 doIRQ() 函数来处理相应的中断，doIRQ() 在做了必要的相关处理之后调用 _doIRQ()。两者最大的不同点体现在doIRQ() 函数中，在该函数中，将判断该中断是否已经被线程化（如果中断描述符的状态字段不包含 IRQNODELAY 标志，则说明该中断被线程化了），对于没有线程化的中断，将直接调用 handleIRQ_event() 函数来处理。

对于已经线程化的情况，调用 wakeupprocess() 函数唤醒中断处理线程，并开始运行，内核线程将调用 dohardirq() 来处理相应的中断，该函数将判断是否有中断需要被处理，如果有就调用 handleIRQevent() 来处理。handleIRQ_event() 将直接调用相应的中断处理函数来完成中断处理。

• 线程化之后，我们还需要思考的问题

一旦中断线程化之后，中断将会运行在进程上下文中，而之前中断上下文所有的约束在这里将不复存在。我们也可以动态地对线程化的中断设置优先等级。那么，对于这种中断世界“革命性”的改变，我们又该有哪些思考：

还需要下半部吗？

中断线程化后，中断可以运行与进程上下文，没有了中断上下文的束缚。那么我们还需要下半部吗，因为在下半部能做的事情，现在都可以通过线程化中断实现了。作为我个人来看，并不认为这时候就可以草率的淘汰下半部。首先，中断线程化还需完善，还需标准化。现在只是作为一个补丁提供在内核中，还需考验。其次，中断线程化并不是万能的，我们很多事情是中断线程化不能实现的，后面会谈到。再者，下半部作为辅助中断处理程序来完成推后执行的工作，在一些场合下仍然具有不可替代的作用。

• 和CPU亲和力相结合

同中断亲和力一样，CPU也有亲和力，所谓CPU亲和力就是通过设置 CPU 亲和力（CPU affinity），将一个或多个进程绑定到一个或多个处理器上运行。一旦中断线程化后，中断就可以用进程（或线程）的观点来看待，这就为我们把中断线程化和CPU亲和力相结合提供可能。对于线程化的中断，我们可以通过设置CPU亲和力来限制线程迁移和优化处理器Cache使用率。当然可能的应用还有很多，这也是研究的方向。线程化不一定永远好

并不是所有的中断都可以被线程化，比如时钟中断，主要用来维护系统时间以及定时器等，其中定时器是操作系统的脉搏，一旦被线程化，就有可能被挂起，这样后果将不堪设想，所以不应当被线程化。类似的还有串行端口等。所以即使现在我们能够线程化我们的中断并不意味着我们都应该线程化我们的中断。

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