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Linux设备驱动之中断处理

中断(interrupt)是指CPU在执行程序的过程中,出现了某些突发事件急待处理,CPU必须暂停执行当前的程序,转去处理突发事件,处理完毕后CPU又返回原程序被中断的位置并继续执行。
中断服务程序的执行并不存在于进程上下文,因此,要求中断服务程序的时间尽可能地短。因此,Linux在中断处理中引入了顶半部和底半部分离的机制。顶半部处理紧急的硬件操作,底半部处理不紧急的耗时操作。
tasklet和工作队列都是调度中断底半部的良好机制,tasklet基于软中断实现,原子操作,速度快,常用,但不可阻塞或睡眠。


中断分类

  • 根据中断的来源,可分为内部中断和外部中断

            内部中断的中断源来自CPU内部(软件中断指令、溢出、除法错误等,例如,操作系统从用户态切换到内核态需借助CPU内部的软件中断),外部中断的中断源来自CPU外部,由外设提出请求。
  • 根据中断是否可以屏蔽分为可屏蔽中断与不屏蔽中断(NMI)

            可屏蔽中断可以通过屏蔽字(MASK)被屏蔽,屏蔽后,该中断不再得到响应,而不屏蔽中断不能被屏蔽。
  • 根据中断入口跳转方法的不同,分为向量中断和非向量中断

            采用向量中断的CPU通常为不同的中断分配不同的中断号,当检测到某中断号的中断到来后,就自动跳转到与该中断号对应的地址执行。不同中断号的中断有不同的入口地址。非向量中断的多个中断共享一个入口地址,进入该入口地址后再通过软件判断中断标志来识别具体是哪个中断。也就是说,向量中断由硬件提供中断服务程序入口地址,非向量中断由软件提供中断服务程序入口地址。

Linux中断处理(Interrupt Handling)架构

设备的中断会打断内核中进程的正常调度和运行,系统对更高吞吐率的追求势必要求中断服务程序尽可能的短小精悍。为了在中断执行时间尽可能短和中断处理需完成大量工作之间找到一个平衡点, Linux 将中断处理程序分解为两个半部:顶半部(top half)和底半部(bottom half)。

  • top half

            顶半部完成尽可能少的比较紧急的功能,它往往只是简单地读取寄存器中的中断状态并清除中断标志后就进行“登记中断”的工作。“登记中断”意味着将底半部处理程序挂到该设备的底半部执行队列中去。这样,顶半部执行的速度就会很快,可以服务更多的中断请求。软件上一般采用handler中断响应程序实现。
  • bottom half

            底半部由顶半部调度而来进行延后处理,几乎做了中断处理程序所有的事情,而且可以被新的中断打断,这也是底半部和顶半部的最大不同,因为顶半部往往被设计成不可中断。底半部则相对来说并不是非常紧急的,而且相对比较耗时,不在硬件中断服务程序中执行。软件上一般采用tasklet或工作队列机制。

Tip:尽管顶半部、底半部的结合能够改善系统的响应能力,但是,僵化地认为 Linux 设备驱动中的中断处理一定要分两个半部则是不对的。如果中断要处理的工作本身很少,则完全可以直接在顶半部全部完成。


Linux中断编程

申请和释放(Installing an Interrupt Handler)

    #include <linux/interrupt.h>

    int /* 返回 0 -- OK, -EINVAL -- irq/handler invalid, -EBUSY -- 中断被占用不能共享 */
    request_irq(
            unsigned int irq,       /* 要申请的硬件中断号 */
            irq_handler_t handler,  /* 向系统登记的中断处理函数(顶半部)*/
            unsigned long flags,    /* 中断处理的属性,可以指定中断的触发方式以及处理方式等 */
            const char *devname,    /* used in /proc/interrupts */   
            void *dev_id            /* 传递给handler的参数 */
            );

    void free_irq(unsigned int irq,void *dev_id);

Tip: 如果中断确定不被共享可将其安装在初始化中,否则应安装在打开函数中。interrupt.h有irq_handler_t的定义及flags的详细注释

使能和屏蔽 (Enabling and Disabling Interrupts)

  • Disabling a single interrupt

    #include <asm/irq.h>
    
    /* disable并等待指定的中断被处理完,如果调用线程占有interrupt handler需要的资源如spinlock那么就会死锁 */
    void disable_irq(int irq); 
    
    /* disable并立即返回,有可能产生竞态 */
    void disable_irq_nosync(int irq);
    
    void enable_irq(int irq);
  • Disabling all interrupts

    #include <asm/system.h>
    
    void local_irq_save(unsigned long flags); /* save flags then disable local all */
    void local_irq_disable(void); /* disable local all directly */
    
    void local_irq_restore(unsigned long flags);
    void local_irq_enable(void);

底半部机制

  • tasklet

    void my_tasklet_func(unsigned long); /*定义一个处理函数*/
    
    /* 定义一个tasklet结构my_tasklet,并与my_tasklet_func(data)处理函数相关联 */
    DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, data);
    
    /* 在需要调度tasklet的时候引用一个tasklet_schedule()函数就能使系统在适当的时候进行调度运行 
       一般在top half即中断响应函数中调用 */
    tasklet_schedule(&my_tasklet);
  • 工作队列(workqueues)
    与tasklet类似:

    void my_wq_func(unsigned long); /*定义一个处理函数*/
    
    struct work_struct my_wq; /*定义一个工作队列*/
    /* 初始化工作队列并将其与处理函数绑定 */
    INIT_WORK(&my_wq, (void (*)(void *)) my_wq_func, NULL);
    
    schedule_work(&my_wq);/*调度工作队列执行*/

Tip: tasklet在中断上下文中执行,不可阻塞或睡眠;而workqueues由内核线程去执行,属进程上下文,可阻塞和睡眠。

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