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中斷上半部、下半部的概念

??設(shè)備的中斷會打斷內(nèi)核進(jìn)程中的正常調(diào)度和運(yùn)行，系統(tǒng)對更高吞吐率的追求勢必要求中斷服務(wù)程序盡量短小精悍。但是，這個良好的愿望往往與現(xiàn)實(shí)并不吻合。在大多數(shù)真實(shí)的系統(tǒng)中，當(dāng)中斷到來時，要完成的工作往往并不會是短小的，它可能要進(jìn)行較大量的耗時處理。??下圖描述了Linux內(nèi)核的中斷處理機(jī)制。為了在中斷執(zhí)行時間盡量短和中斷處理需完成的工作盡量大之間找到一個平衡點(diǎn)，Linux將中斷處理程序分解為兩個半部：頂半部和底半部。

??頂半部用于完成盡量少的比較緊急的功能，它往往只是簡單地讀取寄存器中的中斷狀態(tài)，并在清除中斷標(biāo)志后就進(jìn)行“登記中斷”的工作。“登記中斷”意味著將底半部處理程序掛到該設(shè)備的底半部執(zhí)行隊列中去。這樣，頂半部執(zhí)行的速度就會很快，從而可以服務(wù)更多的中斷請求。

??現(xiàn)在，中斷處理工作的重心就落在了底半部的頭上，需用它來完成中斷事件的絕大多數(shù)任務(wù)。底半部幾乎做了中斷處理程序所有的事情，而且可以被新的中斷打斷，這也是底半部和頂半部的最大不同，因?yàn)?strong>頂半部往往被設(shè)計成不可中斷。底半部相對來說并不是非常緊急的，而且相對比較耗時，不在硬件中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。

??盡管頂半部、底半部的結(jié)合能夠善系統(tǒng)的響應(yīng)能力，但是，僵化地認(rèn)為Linux設(shè)備驅(qū)動中的中斷處理一定要分兩個半部則是不對的。如果中斷要處理的工作本身很少，則完全可以直接在頂半部全部完成。

??其他操作系統(tǒng)中對中斷的處理也采用了類似于 Linux的方法，真正的硬件中斷服務(wù)程序都斥盡量短。因此，許多操作系統(tǒng)都提供了中斷上下文和非中斷上下文相結(jié)合的機(jī)制，將中斷的耗時工作保留到非中斷上下文去執(zhí)行。

實(shí)現(xiàn)中斷下半部的三種方法

軟中斷

??軟中斷( Softirq)也是一種傳統(tǒng)的底半部處理機(jī)制，它的執(zhí)行時機(jī)通常是頂半部返回的時候， tasklet是基于軟中斷實(shí)現(xiàn)的，因此也運(yùn)行于軟中斷上下文。

??在Linux內(nèi)核中，用 softing_action結(jié)構(gòu)體表征一個軟中斷，這個結(jié)構(gòu)體包含軟中斷處理函數(shù)指針和傳遞給該函數(shù)的參數(shù)。使用 open_softirq()函數(shù)可以注冊軟中斷對應(yīng)的處理函數(shù)，而 raise_softirq()函數(shù)可以觸發(fā)一個軟中斷。

??軟中斷和 tasklet運(yùn)行于軟中斷上下文，仍然屬于原子上下文的一種，而工作隊列則運(yùn)行于進(jìn)程上下文。因此，在軟中斷和 tasklet處理函數(shù)中不允許睡眠，而在工作隊列處理函數(shù)中允許睡眠。

??local_bh_disable()和 llocal_bh_enable()是內(nèi)核中用于禁止和使能軟中斷及 tasklet底半部機(jī)制的函數(shù)

軟中斷模版

asmlinkage void do_softirq(void){ __u32 pending; unsigned long flags; /* 判斷是否在中斷處理中，如果正在中斷處理，就直接返回 */ if (in_interrupt()) return; /* 保存當(dāng)前寄存器的值 */ local_irq_save(flags); /* 取得當(dāng)前已注冊軟中斷的位圖 */ pending = local_softirq_pending(); /* 循環(huán)處理所有已注冊的軟中斷 */ if (pending) __do_softirq(); /* 恢復(fù)寄存器的值到中斷處理前 */ local_irq_restore(flags);}

tasklet

??tasklet的使用較簡單，它的執(zhí)行上下文是軟中斷，執(zhí)行時機(jī)通常是頂半部返回的時候。我們只需要定義 tasklet及其處理函數(shù)，并將兩者關(guān)聯(lián)則可，例如

void my_tasklet_func(unsigned long); /*定義一個處理函數(shù)*/DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, data);/*定義一個tasklet結(jié)構(gòu)my_tasklet，與my_tasklet_func(data)函數(shù)相關(guān)聯(lián)*/

??代碼DECLARE_TASKLET(my_tasklet，my_tasklet_func，data)實(shí)現(xiàn)了定義名稱為my_tasklet的tasklet，并將其與my_tasklet_func()這個函數(shù)綁定，而傳入這個函數(shù)的參數(shù)為data。在需要調(diào)度tasklet的時候引用一個tasklet_schedule()函數(shù)就能使系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r候進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行：

tasklet_schedule(&my_tasklet);

??使用tasklet作為底半部處理中斷的設(shè)備驅(qū)動程序模板下所示(僅包含與中斷相關(guān)的部分)。

tasklet函數(shù)模版

/* 定義tasklet和底半部函數(shù)并將它們關(guān)聯(lián) */void xxx_do_tasklet(unsigned long);DECLARE_TASKLET(xxx_tasklet, xxx_do_tasklet, 0);/* 中斷處理底半部 */void xxx_do_tasklet(unsigned long).../* 中斷處理頂半部 */ irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id){ ... tasklet_schedule(&xxx_tasklet); ...}/* 設(shè)備驅(qū)動模塊加載函數(shù) */ int __init xxx_init(void){ ... /* 申請中斷 */ result = request_irq(xxx_irq, xxx_interrupt, 0, "xxx", NULL); ... return IRQ_HANDLED;}/* 設(shè)備驅(qū)動模塊卸載函數(shù) */ void __exit xxx_exit(void){ ... /* 釋放中斷 */ free_irq(xxx_irq, xxx_interrupt); ...}

??上述程序在模塊加載函數(shù)中申請中斷(第24~25行)，并在模塊卸載函數(shù)free_irq(xxx_irq, xxx_interrupt);中釋放它。對應(yīng)于xxx_irq的中斷處理程序被設(shè)置為xxx_interrupt()函數(shù)，在這個函數(shù)中，tasklet_schedule(&xxx_tasklet)調(diào)度被定義的tasklet函數(shù)xxx_do_tasklet()在適當(dāng)?shù)臅r候執(zhí)行。

工作隊列

??工作隊列的使用方法和tasklet非常相似，但是工作隊列的執(zhí)行上下文是內(nèi)核線程，因此可以調(diào)度和睡眠。下面的代碼用于定義一個工作隊列和一個底半部執(zhí)行函數(shù)

struct work_struct my_wq; /* 定義一個工作隊列 */void my_wq_func(struct work_struct *work); /* 定義一個處理函數(shù) */

??通過INIT_WORK()可以初始化這個工作隊列并將工作隊列與處理函數(shù)綁定：

INIT_WORK(&my_wq, my_wq_func);/* 初始化工作隊列并將其與處理函數(shù)綁定 */

??與tasklet_schedule()對應(yīng)的用于調(diào)度工作隊列執(zhí)行的函數(shù)為schedule_work()，如：

schedule_work(&my_wq); /* 調(diào)度工作隊列執(zhí)行 */

工作隊列函數(shù)模版

/* 定義工作隊列和關(guān)聯(lián)函數(shù) */struct work_struct xxx_wq;void xxx_do_work(struct work_struct *work);/* 中斷處理底半部 */void xxx_do_work(struct work_struct *work).../*中斷處理頂半部*/ irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id){ ... schedule_work(&xxx_wq); ... return IRQ_HANDLED;}/* 設(shè)備驅(qū)動模塊加載函數(shù) */ int xxx_init(void){ ... /* 申請中斷 */ result = request_irq(xxx_irq, xxx_interrupt, 0, "xxx", NULL); ... /* 初始化工作隊列 */ INIT_WORK(&xxx_wq, xxx_do_work); ...}/* 設(shè)備驅(qū)動模塊卸載函數(shù) */ void xxx_exit(void){ ... /* 釋放中斷 */ free_irq(xxx_irq, xxx_interrupt); ...}

??工作隊列早期的實(shí)現(xiàn)是在每個CPU核上創(chuàng)建一個worker內(nèi)核線程，所有在這個核上調(diào)度的工作都在該worker線程中執(zhí)行，其并發(fā)性顯然差強(qiáng)人意。在Linux 2.6.36以后，轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)“Concurrency-managedworkqueues”，簡稱cmwq，cmwq會自動維護(hù)工作隊列的線程池以提高并發(fā)性，同時保持了API的向后兼容。

進(jìn)程上下文和中斷上下文

談?wù)勥M(jìn)程上下文、中斷上下文及原子上下文的一些概念

軟中斷和硬中斷的區(qū)別

硬中斷：

??1. 硬中斷是由硬件產(chǎn)生的，比如，像磁盤，網(wǎng)卡，鍵盤，時鐘等。每個設(shè)備或設(shè)備集都有它自己的IRQ(中斷請求)。基于IRQ，CPU可以將相應(yīng)的請求分發(fā)到對應(yīng)的硬件驅(qū)動上(注：硬件驅(qū)動通常是內(nèi)核中的一個子程序，而不是一個獨(dú)立的進(jìn)程)。

??2. 處理中斷的驅(qū)動是需要運(yùn)行在CPU上的，因此，當(dāng)中斷產(chǎn)生的時候，CPU會中斷當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)，來處理中斷。在有多核心的系統(tǒng)上，一個中斷通常只能中斷一顆CPU(也有一種特殊的情況，就是在大型主機(jī)上是有硬件通道的，它可以在沒有主CPU的支持下，可以同時處理多個中斷。)。

??3. 硬中斷可以直接中斷CPU。它會引起內(nèi)核中相關(guān)的代碼被觸發(fā)。對于那些需要花費(fèi)一些時間去處理的進(jìn)程，中斷代碼本身也可以被其他的硬中斷中斷。

??4. 對于時鐘中斷，內(nèi)核調(diào)度代碼會將當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程掛起，從而讓其他的進(jìn)程來運(yùn)行。它的存在是為了讓調(diào)度代碼(或稱為調(diào)度器)可以調(diào)度多任務(wù)。

軟中斷：

??1. 軟中斷的處理非常像硬中斷。然而，它們僅僅是由當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程所產(chǎn)生的。

??2. 通常，軟中斷是一些對I/O的請求。這些請求會調(diào)用內(nèi)核中可以調(diào)度I/O發(fā)生的程序。對于某些設(shè)備，I/O請求需要被立即處理，而磁盤I/O請求通常可以排隊并且可以稍后處理。根據(jù)I/O模型的不同，進(jìn)程或許會被掛起直到I/O完成，此時內(nèi)核調(diào)度器就會選擇另一個進(jìn)程去運(yùn)行。I/O可以在進(jìn)程之間產(chǎn)生并且調(diào)度過程通常和磁盤I/O的方式是相同。

??3. 軟中斷僅與內(nèi)核相聯(lián)系。而內(nèi)核主要負(fù)責(zé)對需要運(yùn)行的任何其他的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度。一些內(nèi)核允許設(shè)備驅(qū)動的一些部分存在于用戶空間，并且當(dāng)需要的時候內(nèi)核也會調(diào)度這個進(jìn)程去運(yùn)行。

??4. 軟中斷并不會直接中斷CPU。也只有當(dāng)前正在運(yùn)行的代碼(或進(jìn)程)才會產(chǎn)生軟中斷。這種中斷是一種需要內(nèi)核為正在運(yùn)行的進(jìn)程去做一些事情(通常為I/O)的請求。有一個特殊的軟中斷是Yield調(diào)用，它的作用是請求內(nèi)核調(diào)度器去查看是否有一些其他的進(jìn)程可以運(yùn)行。

硬中斷、軟中斷和信號的區(qū)別

??硬中斷是外部設(shè)備對CPU的中斷，軟中斷是中斷底半部的一種處理機(jī)制，而信號則是由內(nèi)核(或其他進(jìn)程)對某個進(jìn)程的中斷。在涉及系統(tǒng)調(diào)用的場合，人們也常說通過軟中斷(例如ARM為swi)陷入內(nèi)核，此時軟中斷的概念是指由軟件指令引發(fā)的中斷，和我們這個地方說的softirq是兩個完全不同的概念，一個是software，一個是soft。??需要特別說明的是，軟中斷以及基于軟中斷的tasklet如果在某段時間內(nèi)大量出現(xiàn)的話，內(nèi)核會把后續(xù)軟中斷放入ksoftirqd內(nèi)核線程中執(zhí)行。總的來說，中斷優(yōu)先級高于軟中斷，軟中斷又高于任何一個線程。軟中斷適度線程化，可以緩解高負(fù)載情況下系統(tǒng)的響應(yīng)。

總結(jié)

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