Linux内核设计与实现之中断处理

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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。

, r+ i& V4 w  g主要内容：

什么是中断
中断类型
中断相关函数
5 V: J; l. x! d中断处理机制
中断控制方法
  @; _/ L# s( X3 s* O总结
( e% y) D& N4 ^2 k

1. 什么是中断
. i1 `; d- @' j8 \# p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）。
: T+ z; [& g$ D$ v; [
! y4 _# g2 f2 |# g' ~

" k) Y9 A# t; y( U5 ]& J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。

7 I0 b5 c5 V0 G& H

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

* c: V7 k' ]4 r" z2 o+ V: K9 R( M    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
+ E+ P, J$ o1 Q7 ~! v$ z; f. _    CPU将收到的数据包拷贝到内存后，即通知网卡继续工作
    至于数据包拷贝至内存后的处理会在适当的时候进行
) |( u' b, P6 L- `8 K

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。
/ D) f& M" ]- ^( a* D$ u

' q) Y( w1 e; z; i
同步中断：CPU处理完中断请求的所有工作后才反馈硬件
$ t$ v# M8 d3 b) j: ?5 e
举个例子：系统异常处理(比如运算中的除0操作)
9 s0 z/ k0 G6 ?+ w) R
    应用程序出现异常后，需要内核来处理
9 i" Y0 N$ d8 j9 Y5 r+ l    内核调用相应的异常处理函数来处理异常
    处理完后终了应用程序或者给出message
! }( U) K5 {3 N! F+ O

6 a# }' r: g0 C7 p) K: H' O同步中断应该处理能很快完成的一种中断。


  j$ C8 A) @% K  H: z" N7 S
- C! m  ^$ b. p) L- ?2 w5 z3. 中断相关函数
实现一个中断，主要需要知道3个函数：
2 K; q# B/ H! f6 v' i1 H
( K% X: b: n& i8 I注册中断的函数
释放中断的函数
中断处理程序的声明
& \, V* x; p1 p& u

4 f/ s) ~5 m. h& k0 {. i' b8 X3.1 注册中断的函数
! b. q  _, q; C/ e& T- G& {2 J# }    位置：<linux/interrupt.h>  include/linux/interrupt.h
% _5 W( P# c; j" x. z, u
: `  v6 q7 k% S: `
! n0 j7 U5 z0 T% T) v. c. ]5 H
# {8 h5 @& c" v* I# i2 R  ?定义如下：
' Q1 j9 ?# i; \3 Q" v+ G, _
复制代码
/*
) j! G  v! j% d% W5 x- x * irg     - 表示要分配的中断号
* handler - 实际的中断处理程序
: J( Q3 E/ M. _& R5 N0 o" n$ J$ \8 w * flags   - 标志位，表示此中断的具有特性
' v; _! S6 l1 L4 _# w4 d * name    - 中断设备名称的ASCII 表示，这些会被/proc/irq和/proc/interrupts文件使用
6 i; _5 A$ P% X, r * 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
$ G' y9 J# o% L$ _) |: _1 m8 @6 h  w * 返回值：
% u( R- b2 h, J+ t6 H  i. I * 执行成功：0
) @6 a" w! i+ f* c * 执行失败：非0
8 G  Z( Y6 v# o% f# U. K! j* e. s8 X; P */
int request_irq(unsigned int irq,
                irq_handler_t handler,
                unsigned long flags,
                const char* name,
                void *dev)
复制代码

3 {! J/ y" w1 o; p0 Z' Q: k
3.2 释放中断的函数
, W- P6 k5 v  ~" E8 t3 n' S定义比较简单：

* ~: J; |- E9 ]4 ?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。
* r) c2 x* ?1 v8 q
1 S! S3 U2 O, x& c5 C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，
( f2 f- r7 d6 H8 M
1 L. E) q) i1 {    是最后一个中断处理程序 -> 删除中断线和中断处理程序

0 V* @- F: _! Z; _    不是最后一个中断处理程序 -> 删除中断处理程序


* R. M. H. o2 X6 N
' V, G$ C& [, o' Z# a7 P3.3 中断处理程序的声明
声明格式如下：

( l$ b+ n5 }) F8 O/ c( |复制代码
7 p! t+ {8 u# b( @6 D6 F; p3 W/*
* 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
*/
% `: [2 J3 y( D: k  ^' }5 bstatic irqreturn_t intr_handler(int, irq, void *dev)
2 K7 A- S% u# \7 C& z  S$ |复制代码


/ _6 i/ T9 c/ f! l5 M- l4. 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
( F2 b9 y7 a& q- M( }handle_IRQ_event 调用中断线上所有中断处理
; H/ @8 Q4 o; P$ Bret_from_intr 恢复寄存器，将内核恢复到中断前的状态
* _9 R) L) [  z7 U

; Z3 P) W  P* }5 f4 q! g. Q处理流程可以参见书中的图，如下：
3 G4 z* g. t& z6 ~7 n0 l4 ]

5 B1 `1 Y' r" Q0 \8 U  C* O$ |
. _2 ~4 J. M, f3 W* J& m3 O
" x( N( h4 _" ~! h$ {$ x- z
5. 中断控制方法
/ e/ @8 ^$ F3 i  s' k4 I' C7 b! H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

( H2 \  b2 Z/ y' h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。
' J6 l5 D6 C6 _$ L1 x. C# Z
$ z+ l1 I0 \8 ]( R0 u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。

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