linux中断处理体系结构分析(一),Linux中断处理体系结构分析（二）
1.中斷處理的體系結構
我們知道編寫設備驅動程序一定要用到中斷處理函數，這在驅動程序的編寫中，占據很重要的一部分。在響應一個特定的中斷的時候，內核會執行一個函數，該函數叫做中斷處理程序(interrupt handler)或中斷服務例程(interrupt service routine ,ISP).產生中斷的每個設備都有一個相應的中斷處理程序，中斷處理程序通常不和特定的設備關聯，而是和特定的中斷關聯的，也就是說，如果一個設備可以產生多種不同的中斷，那么該就可以對應多個中斷處理程序，相應的，該設備的驅動程序也就要準備多個這樣的函數。在Linux內核中處理中斷是分為上半部(top half)，和下半部(bottom half)之分的。上半部只做有嚴格時限的工作，例如對接收到的中斷進行應答或復位硬件，這些工作是在所有的中斷被禁止的
情況下完成的，能夠被允許稍后完成的工作會推遲到下半部去。要想了解上半部和下半部的機制可以閱讀一下《Linux內核設計與實現》的第七章的內容。
Linux內核將所有的中斷統一編號，使用一個irq_desc結構數組來描述這些中斷;每個數組項對應一個中斷，也可能是一組中斷，它們共用相同的中斷號，里面記錄了中斷的名稱、中斷狀態、中斷標記(比如中斷類型、是否共享中斷等)，并提供了中斷的低層硬件訪問函數(清除、屏蔽、使能中斷)，提供了這個中斷的處理函數入口，通過它可以調用用戶注冊的中斷處理函數。
通過irq_desc結構數組就可以了解中斷處理體系結構，irq_desc結構的數據類型include/linux/irq.h
中定義，
struct irq_desc {
unsigned int????????irq;
struct timer_rand_state *timer_rand_state;
unsigned int *kstat_irqs;
#ifdef CONFIG_INTR_REMAP
struct irq_2_iommu *irq_2_iommu;
#endif
irq_flow_handler_t????handle_irq; // 當前中斷的處理函數入口
struct irq_chip????????*chip; //低層的硬件訪問
struct msi_desc????????*msi_desc;
void????????????*handler_data;
void????????????*chip_data;
struct irqaction????*action;????// 用戶提供的中斷處理函數鏈表
unsigned int????????status;????????//IRQ狀態
........
const char????????*name; //中斷的名稱
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;?? handle_irq是這個或這組中斷的處理函數入口。發生中斷時，總入口函數asm_do_IRQ將根據中斷號調用相應irq_desc數組項中handle_irq.handle_irq使用chip結構中的函數清除、屏蔽或者重新使能中斷，還要調用用戶在action鏈表中注冊的中斷處理函數。
irq_chip結構類型也是在include/linux/irq.h中定義，其中的成員大多用于操作底層硬件，比如設置寄存器以屏蔽中斷，使能中斷，清除中斷等。
struct irq_chip {
const char????*name;
unsigned int????(*startup)(unsigned int irq);//啟動中斷，如果不設置，缺省為“enable
void????????(*shutdown)(unsigned int irq);/*關閉中斷，如果不設置，缺省為"disable"*/
void????????(*enable)(unsigned int irq);// 使用中斷，如果不設置，缺省為"unmask"
void????????(*disable)(unsigned int irq);//禁止中斷，如果不設置，缺省為“mask”
void????????(*ack)(unsigned int irq);/*響應中斷，通常是清除當前中斷使得可以接收下一個中斷*/
void????????(*mask)(unsigned int irq); //屏蔽中斷源
void????????(*mask_ack)(unsigned int irq);//屏蔽和響應中斷
void????????(*unmask)(unsigned int irq);//開啟中斷源
void????????(*eoi)(unsigned int irq);
........
const char????*typename;
};irq_desc結構中的irqaction結構類型在include/linux/iterrupt.h中定義。用戶注冊的每個中斷
處理函數用一個irqaction結構來表示，一個中斷比如共享中斷可以有多個處理函數，它們的irqaction結
構鏈接成一個鏈表，以action為表頭。irqation結構定義如下：
struct irqaction {
irq_handler_t handler; //用戶注冊的中斷處理函數
unsigned long flags; //中斷標志，比如是否共享中斷，電平觸發還是邊沿觸發
const char *name; //用戶注冊的中斷名字
void *dev_id; //用戶傳給上面的handler的參數，還可以用來區分共享中斷
struct irqaction *next; //指向下一個用戶注冊函數的指針
int irq; //中斷號
struct proc_dir_entry *dir;
irq_handler_t thread_fn;
struct task_struct *thread;
unsigned long thread_flags;
};?? irq_desc結構數組、它的成員“struct irq_chip *chip” "struct irqaction *action",這3種數據結構構成了中斷處理體系的框架。下圖中描述了Linxu中斷處理體系結構的關系圖：
中斷處理流程如下
(1)發生中斷時，CPU執行異常向量vector_irq的代碼
(2)在vector_irq里面，最終會調用中斷處理的總入口函數asm_do_IRQ
(3)asm_do_IRQ根據中斷號調用irq_desc數組項中的handle_irq。
(4)handle_irq會使用chip成員中的函數來設置硬件，比如清除中斷、禁止中斷、重新使能中斷等
(5)handle_irq逐個調用用戶在aciton鏈表中注冊的處理函數
中斷體系結構的初始化就是構造這些數據結構，比如irq_desc數組項中的handle_irq、chip等成員；用戶注冊中斷時就是構造action鏈表；用戶卸載中斷時就是從action鏈表中去除不需要的項。
2.中斷處理體系結構的初始化
init_IRQ函數被用來初始化中斷處理體系結構，代碼在arch/arm/kernel/irq.c中
153 void __init init_IRQ(void)
154 {
155 int irq;
156
157 for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++)
158 irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;
159
160 init_arch_irq();
161 }157~~158行 初始化irq_desc結構數組中每一項的中斷狀態
第160行調用架構相關的中斷初始化函數。對于S3C2440開發板，這個函數就是s3c24xx_init_irq,移植machine_desc結構中的init_irq成員就指向這個函數s3c24xx_init_irq函數在arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c中定義，它為所有中斷設置了芯片相關的數據結構(irq_desc[irq].chip)，設置了處理函數入口(irq_desc[irq].handle_irq)。以外部中斷EINT4-EINT23為例，用來設置它們的代碼如下：
void __init s3c24xx_init_irq(void)
534 {
535 unsigned long pend;
536 unsigned long last;
537 int irqno;
538 int i;
........
637 for (irqno = IRQ_EINT4; irqno <= IRQ_EINT23; irqno++) {
638 irqdbf("registering irq %d (extended s3c irq)\n", irqno);
639 set_irq_chip(irqno, &s3c_irqext_chip);
640 set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq);
641 set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID);
...............655 for (irqno = IRQ_S3CUART_RX1; irqno <= IRQ_S3CUART_ERR1; irqno++) {
656 irqdbf("registering irq %d (s3c uart1 irq)\n", irqno);
657 set_irq_chip(irqno, &s3c_irq_uart1);
658 set_irq_handler(irqno, handle_level_irq);
659 set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID);
660 }
..........
676 irqdbf("s3c2410: registered interrupt handlers\n");
677 }
678
在639行set_irq_chip函數的作用就是“irq_desc[irno].chip = &s3c_irqext_chip”,以后就可能通過irq_desc[irqno].chip結構中的函數指針設置這些外部中斷的觸發方式(電平觸發，邊沿觸發)，使能中斷，禁止中斷。
在640行設置這些中斷的處理函數入口為handle_edge_irq，即“irq_desc[irqno].handle_irq =handle_edge_irq”.發生中斷時，handle_edge_irq函數會調用用戶注冊的具體處理函數；?在641行設置中斷標志為“IRQF_VALID”，表示可以使用它們。init_IRQ函數執行完后，irq_desc數組項的chip,handl_irq成員都被設置
2.2 用戶注冊中斷處理函數的過程
用戶驅動程序通過request_irq函數向內核注冊中斷處理函數，request_irq函數根據中斷號找到irq_desc數組項，然后在它的action鏈表添加一個表項。原先的內核中requset_irq函數在kernel/irq/manage.c中定義，而現在2.6.32版本中，進行了改變，可以看這篇文章，這里解釋了，在2.6.32內核中我們可以看到找不到了request_irq函數的實現，而是用request_threaded_irq()函數給替換了。我們可以在inclue/linux/interrupt.h中找到這個函數的原型。
110 #ifdef CONFIG_GENERIC_HARDIRQS
111 extern int __must_check
112 request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
113 irq_handler_t thread_fn,
114 unsigned long flags, const char *name, void *dev);
115
116 static inline int __must_check
117 request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
118 const char *name, void *dev)
119 {
120 return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);
121 }
123 extern void exit_irq_thread(void);
124 #else
126 extern int __must_check
127 request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
128 const char *name, void *dev);
136 static inline int __must_check
137 request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
138 irq_handler_t thread_fn,
139 unsigned long flags, const char *name, void *dev)
140 {
141 return request_irq(irq, handler, flags, name, dev);
142 }
143
144 static inline void exit_irq_thread(void) { }
145 #endif其實具體的實現在request_threaded_irq函數中，也是在/kernel/irq/manage.c中定義，requset_threaded_irq函數首先使用這4個參數構造一個irqaction結構，然后調用setup_irq函數將它鏈入鏈表中，
1003 int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
1004 irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,
const char *devname, void *dev_id)
.............
1056 action->handler = handler;
1057 action->thread_fn = thread_fn;
1058 action->flags = irqflags;
1059 action->name = devname;
1060 action->dev_id = dev_id;
1061
1062 chip_bus_lock(irq, desc);
1084 local_irq_restore(flags);
1085 enable_irq(irq);
...........
1088 return retval;
1089 }
1090 EXPORT_SYMBOL(request_threaded_irq);
setup_irq函數也是在kernel/irq.manage.c中定義，它完成如下3個主要功能
(1)將新建的irqaction結構鏈入irq_desc[irq]結構的action鏈表中，這有兩種可能。
如果action鏈表為空，則直接鏈入,否則先判斷新建的irqaction結構和鏈表中的irqaction結構所表示的中斷類型是否一致，即是否都聲明為"可共享的"(IRQF_SHARED)、是否都使用相同的觸發方式，如果一致，則將新建的irqation結構鏈入
(2)設置irq_desc[irq]結構中chip成員的還沒設置的指針，讓它們指向一些默認函數
chip成員在init_IRQ函數初始化中斷體系結構的時候已經設置了，這里只是設置其中還沒設置的指針這通過irq_chip_set_defaults函數來完成，它在kernel/irq/chip.c中定義
296 void irq_chip_set_defaults(struct irq_chip *chip)
297 {
298 if (!chip->enable)
299 chip->enable = default_enable;//調用chip->unmask
300 if (!chip->disable)
301 chip->disable = default_disable;//此函數為空
302 if (!chip->startup)
303 chip->startup = default_startup;//調用chip->enable
310 if (!chip->shutdown)
311 chip->shutdown = chip->disable != default_disable ?
312 chip->disable : default_shutdown;
313 if (!chip->name)
314 chip->name = chip->typename;
315 if (!chip->end)
316 chip->end = dummy_irq_chip.end;
317 }
(4)啟動中斷
如果irq_desc[irq]結構中status成員沒有被指明IRQ_NOAUTOEN(表示注冊中斷時不要使用中斷)，還要調用chip->startup或chip->enable來啟動中斷，所謂啟動中斷通常就是使用中斷。一般情況下，只有那些“可以自動使能的”中斷對應的irq_desc[irq].status才會被指明為IRQ_NOAUTOEN，所以，無論哪種情況，執行request_irq注冊中斷之后，這個中斷就已經被使能了。
總結一下request_irq函數注冊
(1)irq_des[irq]結構中的action鏈表中已經鏈入了用戶注冊的中斷處理函數
(2)中斷的觸發方式已經被設好
(3)中斷已經被使能
2.3 中斷的處理過程
asm_do_IRQ是中斷的C語言總入口函數，它在/arch/arm/kernel/irq.c中定義，
106 asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
107 {
108 struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
109
110 irq_enter();
111
112 /*
113 * Some hardware gives randomly wrong interrupts. Rather
114 * than crashing, do something sensible.
115 */
116 if (unlikely(irq >= NR_IRQS)) {
117 if (printk_ratelimit())
118 printk(KERN_WARNING "Bad IRQ%u\n", irq);
119 ack_bad_irq(irq);
120 } else {
121 generic_handle_irq(irq);
122 }
123
124 /* AT91 specific workaround */
125 irq_finish(irq);
126
127 irq_exit();
128 set_irq_regs(old_regs);
129 }
desc_hand_irq函數直接調用desc結構中的hand_irq成員函數，它就是irq_desc[irq].handle.irq
asm_do_IRQ函數中參數irq的取值范圍為IRQ_EINT0~(IRQ_EINT0 + 31),只有32個取值。它可能是一個實際的中斷號，也可能是一組中斷的中斷號。這里有S3C2440的芯片特性決定的：發生中斷時，INTPND寄存器的某一位被置1，INTOFFSET寄存器中記錄了是哪一位(0--31)，中斷向量調用asm_do_IRQ之前要把INTOFFSET寄存器的值確定irq參數。每一個實際的中斷在irq_desc數組中都有一項與它對應，它們的數目不止32.當asm_do_IRQ函數參數irq表示的是“一組”中斷時，irq_desc[irq].handle_irq成員函數還需要先分辨出是哪一個中斷，然后調用irq_desc[irqno].handle_irq來進一步處理。
以外部中斷EINT8—EINT23為例，它們通常是邊沿觸發
(1)它們被觸發里，INTOFFSET寄存器中的值都是5，asm_do_IRQ函數中參數irq的值為(IRQ_EINTO+5),即IRQ_EINT8t23，
(2)irq_desc[IRQ_EINT8t23].handle_irq在前面init_IRQ函數初始化中斷體系結構的時候被設為s3c_irq_demux_extint8.
(3)s3c_irq_demux_extint8函數的代碼在arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c中，它首先讀取EINTPEND、EINTMASK寄存器，確定發生了哪些中斷，重新計算它們的中斷號，然后調用irq_desc數組項中的handle_irq成員函數
453 s3c_irq_demux_extint8(unsigned int irq,
454 struct irq_desc *desc)
455 {
456 unsigned long eintpnd = __raw_readl(S3C24XX_EINTPEND); //EINT8-EINT23 發生時，相應位被置1
457 unsigned long eintmsk = __raw_readl(S3C24XX_EINTMASK);//屏蔽寄存器
458
459 eintpnd &= ~eintmsk; //清除被屏蔽的位
460 eintpnd &= ~0xff; /* 清除低8位(EINT8對應位8)ignore lower irqs */
461
462 /* 循環處理所有子中斷*/
463
464 while (eintpnd) {
465 irq = __ffs(eintpnd); //確定eintpnd中為1的最高位
466 eintpnd &= ~(1<
467
468 irq += (IRQ_EINT4 - 4);//重新計算中斷號，前面計算出irq等于8時，中斷號為
IRQ_EINT8
469 generic_handle_irq(irq);//調用這中斷的真正的處理函數
470 }
471
472 }
void
(4)IRQ_EINT8--IRQ_EINT23這幾個中斷的處理函數入口，在init_IRQ函數初始化中斷體系結構的時候已經被設置為handle_edge_irq函數，desc_handle_irq(irq,irq_desc+irq)就是調用這個函數，它在kernel/irq/chip.c中定義，它用來處理邊沿觸發的中斷，
中斷發生的次數統計
531 handle_edge_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
532 {
533 spin_lock(&desc->lock);
534
535 desc->status &= ~(IRQ_REPLAY | IRQ_WAITING);
536
537 /*
538 * If we're currently running this IRQ, or its disabled,
539 * we shouldn't process the IRQ. Mark it pending, handle
540 * the necessary masking and go out
541 */
542 if (unlikely((desc->status & (IRQ_INPROGRESS | IRQ_DISABLED)) ||
543 !desc->action)) {
544 desc->status |= (IRQ_PENDING | IRQ_MASKED);
545 mask_ack_irq(desc, irq);
546 goto out_unlock;
547 }
548 kstat_incr_irqs_this_cpu(irq, desc);
549
550 /* Start handling the irq */
551 if (desc->chip->ack)
552 desc->chip->ack(irq);
553
554 /* Mark the IRQ currently in progress.*/
555 desc->status |= IRQ_INPROGRESS;
556
557 do {
558 struct irqaction *action = desc->action;
559 irqreturn_t action_ret;
560
561 if (unlikely(!action)) {
562 desc->chip->mask(irq);
563 goto out_unlock;
564 }
565
566 /*
567 * When another irq arrived while we were handling
568 * one, we could have masked the irq.
569 * Renable it, if it was not disabled in meantime.
570 */
571 if (unlikely((desc->status &
572 (IRQ_PENDING | IRQ_MASKED | IRQ_DISABLED)) ==
573 (IRQ_PENDING | IRQ_MASKED))) {
574 desc->chip->unmask(irq);
575 desc->status &= ~IRQ_MASKED;
576 }
577
578 desc->status &= ~IRQ_PENDING;
579 spin_unlock(&desc->lock);
580 action_ret = handle_IRQ_event(irq, action);
581 if (!noirqdebug)
582 note_interrupt(irq, desc, action_ret);
583 spin_lock(&desc->lock);
584
585 } while ((desc->status & (IRQ_PENDING | IRQ_DISABLED)) == IRQ_PENDING);
586
587 desc->status &= ~IRQ_INPROGRESS;
588 out_unlock:
589 spin_unlock(&desc->lock);
590 }
591
響應中斷，通常是清除當前中斷使得可以接收下一個中斷，對于IRQ_EINT8~IRQ_EINT23這幾個中斷，desc->chip在前面init_IRQ函數初始化中斷體系結構的時候被設為s3c_irqext_chip.desc->chip->ack就是s3c_irqext_ack函數，(arch/armplat-s3c24xx/irq.c)它用來清除中斷
handle_IRQ_event函數來逐個執行action鏈表中用戶注冊的中斷處理函數，它在kernel/irq/handle.c中定義。
do {
379 trace_irq_handler_entry(irq, action);
380 ret = action->handler(irq, action->dev_id);//執行用戶注冊的中斷處理函數
381 trace_irq_handler_exit(irq, action, ret);
382
383 switch (ret) {
384 case IRQ_WAKE_THREAD:
385 /*
386 * Set result to handled so the spurious check
387 * does not trigger.
388 */
389 ret = IRQ_HANDLED;
390
391 /*
392 * Catch drivers which return WAKE_THREAD but
393 * did not set up a thread function
394 */
395 if (unlikely(!action->thread_fn)) {
396 warn_no_thread(irq, action);
397 break;
398 }
399
400 /*
408 if (likely(!test_bit(IRQTF_DIED,
409 &action->thread_flags))) {
410 set_bit(IRQTF_RUNTHREAD, &action->thread_flags);
411 wake_up_process(action->thread);
412 }
413
414 /* Fall through to add to randomness */
415 case IRQ_HANDLED:
416 status |= action->flags;
417 break;
418
419 default:
420 break;
421 }
422
423 retval |= ret;
424 action = action->next; //下一個
425 } while (action);
用戶注冊的中斷處理函數的參數為中斷號irq,action->dev_id。后一個參數是通過request_irq函數注冊中斷時傳入的dev_id參數，它由用戶自己指定、自己使用，可以為空，當這個中斷是“共享中斷”時除外。
對于電平觸發的中斷，它們的irq_desc[irq].handle_irq通常是handle_level_irq函數。它也是在kernel/irq/chip.c中定義，其功能與上述handle_edge_irq函數相似，
對于handle_level_irq函數已經清除了中斷，但是它只限于清除SoC內部的的信號，如果外設輸入到SoC的中斷信號仍然有效，這就會導致當前中斷處理完成后，會誤認為再次發生了中斷，對于這種情況，需要用戶注冊的中斷處理函數中清除中斷，先清除外設的中斷，然后再清除SoC內部的中斷號。
中斷的處理流程可以總結如下
(1)中斷向量調用總入口函數asm_do_IRQ，傳入根據中斷號irq
(2)asm_do_IRQ函數根據中斷號irq調用irq_desc[irq].handle_irq，它是這個中斷的處理函數入口，對于電平觸發的中斷，這個入口函數通常為handle_level_irq,對于邊沿觸發的中斷，這個入口通常為handle_edge_irq
(3)入口函數首先清除中斷，入口函數是handle_level_irq時還要屏蔽中斷
(4)逐個調用用戶在irq_desc[irq].aciton鏈表中注冊的中斷處理函數
(5)入口函數是handle_level_irq時還要重新開啟中斷
卸載中斷處理函數這通過free_irq函數來實現，它與request_irq一樣，也是在kernel/irq/mangage.c中定義。
它需要用到兩個參數：irq和dev_id,它們與通過request_irq注冊中斷函數時使用的參數一樣，使用中斷號irq定位action鏈表，再使用dev_id在action鏈表中找到要卸載的表項。同一個中斷的不同中斷處理函數必須使用不同的dev_id來區分，在注冊共享中斷時參數dev_id必惟一。
free_irq函數的處理過程與request_irq函數相反
(1)根據中斷號irq，dev_id從action鏈表中找到表項，將它移除
(2)如果它是惟一的表項，還要調用IRQ_DESC[IRQ].CHIP->SHUTDOWN或IRQ_DESC[IRQ].CHIP->DISABLW來關閉中斷。
在響應一個特定的中斷的時候，內核會執行一個函數，該函數叫做中斷處理程序(interrupt handler)或中斷服務例程(interrupt service routine ,ISP).產生中斷的每個設備都有一個相應的中斷處理程序，中斷處理程序通常不和特定的設備關聯，而是和特定的中斷關聯的，也就是說，如果一個設備可以產生多種不同的中斷，那么該就可以對應多個中斷處理程序，相應的，該設備的驅動程序也就要準備多個這樣的函數。在Linux內核中處理中斷是分為上半部(top
half)，和下半部(bottom
half)之分的。上半部只做有嚴格時限的工作，例如對接收到的中斷進行應答或復位硬件，這些工作是在所有的中斷被禁止的情況下完成的，能夠被允許稍后完成的工作會推遲到下半部去。要想了解上半部和下半部的機制可以閱讀一下《Linux內核設計與實現》
總結
以上是生活随笔為你收集整理的linux中断处理体系结构分析(一),Linux中断处理体系结构分析（二）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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