《Linux内核设计与实现》读书笔记（七）- 中断处理

中断处理一般不是纯软件来实现的，需要硬件的支持。通过对中断的学习有助于更深入的了解系统的一些底层原理，特别是驱动程序的开发。

主要内容：

• 什么是中断
• 中断类型
• 中断相关函数
• 中断处理机制
• 中断控制方法
• 总结

 

1. 什么是中断

为了提高CPU和外围硬件(硬盘，键盘，鼠标等等)之间协同工作的性能，引入了中断的机制。

没有中断的话，CPU和外围设备之间协同工作可能只有轮询这个方法：CPU定期检查硬件状态，需要处理时就处理，否则就跳过。

当硬件忙碌的时候，CPU很可能会做许多无用功（每次轮询都是跳过不处理）。

 

中断机制是硬件在需要的时候向CPU发出信号，CPU暂时停止正在进行的工作，来处理硬件请求的一种机制。

 

2. 中断类型

中断一般分为异步中断(一般由硬件引起)和同步中断(一般由处理器本身引起)。

异步中断：CPU处理中断的时间过长，所以先将硬件复位，使硬件可以继续自己的工作，然后在适当时候处理中断请求中耗时的部分。

举个例子：网卡的工作原理

1.     网卡收到数据包后，向CPU发出中断信号，请求处理接收到的数据包
2.     CPU将收到的数据包拷贝到内存后，即通知网卡继续工作
3.     至于数据包拷贝至内存后的处理会在适当的时候进行

 

这样做避免了处理数据包时间过长导致网卡接收数据包速度变慢。

 

同步中断：CPU处理完中断请求的所有工作后才反馈硬件

举个例子：系统异常处理(比如运算中的除0操作)

1.     应用程序出现异常后，需要内核来处理
2.     内核调用相应的异常处理函数来处理异常
3.     处理完后终了应用程序或者给出message

 

同步中断应该处理能很快完成的一种中断。

 

3. 中断相关函数

实现一个中断，主要需要知道3个函数：

• 注册中断的函数
• 释放中断的函数
• 中断处理程序的声明

 

3.1 注册中断的函数

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

 

定义如下：

/** irg     - 表示要分配的中断号* handler - 实际的中断处理程序* flags   - 标志位，表示此中断的具有特性* name    - 中断设备名称的ASCII 表示，这些会被/proc/irq和/proc/interrupts文件使用* dev     - 用于共享中断线，多个中断程序共享一个中断线时(共用一个中断号)，依靠dev来区别各个中断程序* 返回值：* 执行成功：0* 执行失败：非0*/
int request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler,unsigned long flags,const char* name,void *dev)

 3.2 释放中断的函数

定义比较简单：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev)

如果不是共享中断线，则直接删除irq对应的中断线。

如果是共享中断线，则判断此中断处理程序是否中断线上的最后一个中断处理程序，

    是最后一个中断处理程序 -> 删除中断线和中断处理程序

    不是最后一个中断处理程序 -> 删除中断处理程序

 

3.3 中断处理程序的声明

声明格式如下：

/* * 中断处理程序的声明* @irp  - 中断处理程序(即request_irq()中handler)关联的中断号* @dev  - 与 request_irq()中的dev一样，表示一个设备的结构体* 返回值：* irqreturn_t -  执行成功：IRQ_HANDLED  执行失败：IRQ_NONE*/
static irqreturn_t intr_handler(int, irq, void *dev)

 

4. 中断处理机制

中断处理的过程主要涉及3函数：

• do_IRQ 与体系结构有关，对所接收的中断进行应答
• handle_IRQ_event 调用中断线上所有中断处理
• ret_from_intr 恢复寄存器，将内核恢复到中断前的状态

 

处理流程可以参见书中的图，如下：

 

5. 中断控制方法

常用的中断控制方法见下表：

函数	说明
local_irq_disable()	禁止本地中断传递
local_irq_enable()	激活本地中断传递
local_irq_save()	保存本地中断传递的当前状态，然后禁止本地中断传递
local_irq_restore()	恢复本地中断传递到给定的状态
disable_irq()	禁止给定中断线，并确保该函数返回之前在该中断线上没有处理程序在运行
disable_irq_nosync()	禁止给定中断线
enable_irq()	激活给定中断线
irqs_disabled()	如果本地中断传递被禁止，则返回非0；否则返回0
in_interrupt()	如果在中断上下文中，则返回非0；如果在进程上下文中，则返回0
in_irq()	如果当前正在执行中断处理程序，则返回非0；否则返回0

 

总结

中断处理对处理时间的要求很高，如果一个中断要花费较长时间，那么中断处理一般分为2部分。

上半部只做一些必要的工作后，立即通知硬件继续自己的工作。

中断处理中耗时的部分，也就是下半部的工作，CPU会在适当的时候去完成。