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标题: Linux 内核中断内幕 [打印本页]

作者: look_w 时间: 2017-12-13 08:40 标题: Linux 内核中断内幕

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：

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；
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。

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 8259AX86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：

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# 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。
中断分类中断可分为同步（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。
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。
表 1：中断类别及其行为类别原因异步/同步返回行为中断来自I/O设备的信号异步总是返回到下一条指令陷阱有意的异常同步总是返回到下一条指令故障潜在可恢复的错误同步返回到当前指令终止不可恢复的错误同步不会返回
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。
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，具体区别参见表 2。
表 2：8259A 和 I/O APIC PIC 的区别8259AI/O APICstatic struct hw_interrupt_type i8259A_irq_type = { "XT-PIC", startup_8259A_irq, shutdown_8259A_irq, enable_8259A_irq, disable_8259A_irq, mask_and_ack_8259A, end_8259A_irq, NULL}; static struct hw_interrupt_type ioapic_edge_type = { .typename = "IO-APIC-edge", .startup = startup_edge_ioapic, .shutdown = shutdown_edge_ioapic, .enable = enable_edge_ioapic, .disable = disable_edge_ioapic, .ack = ack_edge_ioapic, .end = end_edge_ioapic, .set_affinity = set_ioapic_affinity,};static struct hw_interrupt_type ioapic_level_type = { .typename = "IO-APIC-level", .startup = startup_level_ioapic, .shutdown = shutdown_level_ioapic, .enable = enable_level_ioapic, .disable = disable_level_ioapic, .ack = mask_and_ack_level_ioapic, .end = end_level_ioapic, .set_affinity = set_ioapic_affinity,};
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

本文作者之一曾经对2.6.10的中断系统进行过情景分析，有兴趣的读者可以和作者取得联系，获取相关资料。

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