概述

從本質(zhì)上來(lái)講，中斷是一種電信號(hào)，當(dāng)設(shè)備有某種事件發(fā)生時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生中斷，通過(guò)總線把電信號(hào)發(fā)送給中斷控制器。

如果中斷的線是激活的，中斷控制器就把電信號(hào)發(fā)送給處理器的某個(gè)特定引腳。處理器于是立即停止自己正在做的事，

跳到中斷處理程序的入口點(diǎn)，進(jìn)行中斷處理。

(1) 硬中斷

由與系統(tǒng)相連的外設(shè)(比如網(wǎng)卡、硬盤)自動(dòng)產(chǎn)生的。主要是用來(lái)通知操作系統(tǒng)系統(tǒng)外設(shè)狀態(tài)的變化。比如當(dāng)網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)包

的時(shí)候，就會(huì)發(fā)出一個(gè)中斷。我們通常所說(shuō)的中斷指的是硬中斷(hardirq)。

(2) 軟中斷

為了滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，中斷處理應(yīng)該是越快越好。linux為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，硬中斷處理那些短時(shí)間

就可以完成的工作，而將那些處理事件比較長(zhǎng)的工作，放到中斷之后來(lái)完成，也就是軟中斷(softirq)來(lái)完成。

(3) 中斷嵌套

Linux下硬中斷是可以嵌套的，但是沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的概念，也就是說(shuō)任何一個(gè)新的中斷都可以打斷正在執(zhí)行的中斷，但同種中斷

除外。軟中斷不能嵌套，但相同類型的軟中斷可以在不同CPU上并行執(zhí)行。

(4) 軟中斷指令

int是軟中斷指令。

中斷向量表是中斷號(hào)和中斷處理函數(shù)地址的對(duì)應(yīng)表。

int n - 觸發(fā)軟中斷n。相應(yīng)的中斷處理函數(shù)的地址為：中斷向量表地址 + 4 * n。

(5)硬中斷和軟中斷的區(qū)別

軟中斷是執(zhí)行中斷指令產(chǎn)生的，而硬中斷是由外設(shè)引發(fā)的。

硬中斷的中斷號(hào)是由中斷控制器提供的，軟中斷的中斷號(hào)由指令直接指出，無(wú)需使用中斷控制器。

硬中斷是可屏蔽的，軟中斷不可屏蔽。

硬中斷處理程序要確保它能快速地完成任務(wù)，這樣程序執(zhí)行時(shí)才不會(huì)等待較長(zhǎng)時(shí)間，稱為上半部。

軟中斷處理硬中斷未完成的工作，是一種推后執(zhí)行的機(jī)制，屬于下半部。?

開(kāi)關(guān)
?

(1) 硬中斷的開(kāi)關(guān)

簡(jiǎn)單禁止和激活當(dāng)前處理器上的本地中斷：

local_irq_disable();

local_irq_enable();

保存本地中斷系統(tǒng)狀態(tài)下的禁止和激活：

unsigned long flags;

local_irq_save(flags);

local_irq_restore(flags);

(2) 軟中斷的開(kāi)關(guān)

禁止下半部，如softirq、tasklet和workqueue等：

local_bh_disable();

local_bh_enable();

需要注意的是，禁止下半部時(shí)仍然可以被硬中斷搶占。

(3) 判斷中斷狀態(tài)

#define in_interrupt() (irq_count())?// 是否處于中斷狀態(tài)(硬中斷或軟中斷)

#define in_irq()?(hardirq_count()) // 是否處于硬中斷

#define in_softirq() (softirq_count()) // 是否處于軟中斷

硬中斷
?

(1) 注冊(cè)中斷處理函數(shù)

注冊(cè)中斷處理函數(shù)：

/**
* irq: 要分配的中斷號(hào)
* handler: 要注冊(cè)的中斷處理函數(shù)
* flags: 標(biāo)志(一般為0)
* name: 設(shè)備名(dev->name)
* dev: 設(shè)備(struct net_device *dev)，作為中斷處理函數(shù)的參數(shù)
* 成功返回0
*/

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,?
const char *name, void *dev);
?

中斷處理函數(shù)本身：

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *);

/**
* enum irqreturn
* @IRQ_NONE: interrupt was not from this device
* @IRQ_HANDLED: interrupt was handled by this device
* @IRQ_WAKE_THREAD: handler requests to wake the handler thread
*/
enum irqreturn {
IRQ_NONE,
IRQ_HANDLED,
IRQ_WAKE_THREAD,
};
typedef enum irqreturn irqreturn_t;
#define IRQ_RETVAL(x) ((x) != IRQ_NONE)
?

(2) 注銷中斷處理函數(shù)

/**
* free_irq - free an interrupt allocated with request_irq
* @irq: Interrupt line to free
* @dev_id: Device identity to free
*
* Remove an interrupt handler. The handler is removed and if the
* interrupt line is no longer in use by any driver it is disabled.
* On a shared IRQ the caller must ensure the interrupt is disabled
* on the card it drives before calling this function. The function does
* not return until any executing interrupts for this IRQ have completed.
* This function must not be called from interrupt context.
*/

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

軟中斷
?

(1) 定義

軟中斷是一組靜態(tài)定義的下半部接口，可以在所有處理器上同時(shí)執(zhí)行，即使兩個(gè)類型相同也可以。

但一個(gè)軟中斷不會(huì)搶占另一個(gè)軟中斷，唯一可以搶占軟中斷的是硬中斷。

軟中斷由softirq_action結(jié)構(gòu)體表示：

struct softirq_action {
void (*action) (struct softirq_action *); /* 軟中斷的處理函數(shù) */
};
?

目前已注冊(cè)的軟中斷有10種，定義為一個(gè)全局?jǐn)?shù)組：

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];

enum {
HI_SOFTIRQ = 0, /* 優(yōu)先級(jí)高的tasklets */
TIMER_SOFTIRQ, /* 定時(shí)器的下半部 */
NET_TX_SOFTIRQ, /* 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包 */
NET_RX_SOFTIRQ, /* 接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包 */
BLOCK_SOFTIRQ, /* BLOCK裝置 */
BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
TASKLET_SOFTIRQ, /* 正常優(yōu)先級(jí)的tasklets */
SCHED_SOFTIRQ, /* 調(diào)度程序 */
HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高分辨率定時(shí)器 */
RCU_SOFTIRQ, /* RCU鎖定 */
NR_SOFTIRQS /* 10 */
};
?

(2) 注冊(cè)軟中斷處理函數(shù)

/**
* @nr: 軟中斷的索引號(hào)
* @action: 軟中斷的處理函數(shù)
*/

void open_softirq(int nr, void (*action) (struct softirq_action *))
{
softirq_vec[nr].action = action;
}
例如：

open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);

open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

(3) 觸發(fā)軟中斷?

調(diào)用raise_softirq()來(lái)觸發(fā)軟中斷。

void raise_softirq(unsigned int nr)
{
unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
raise_softirq_irqoff(nr);
local_irq_restore(flags);
}

/* This function must run with irqs disabled */
inline void rasie_softirq_irqsoff(unsigned int nr)
{
__raise_softirq_irqoff(nr);

/* If we're in an interrupt or softirq, we're done
* (this also catches softirq-disabled code). We will
* actually run the softirq once we return from the irq
* or softirq.
* Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we
* schedule the softirq soon.
*/
if (! in_interrupt()) /* 如果不處于硬中斷或軟中斷 */
wakeup_softirqd(void); /* 喚醒ksoftirqd/n進(jìn)程 */
}

Percpu變量irq_cpustat_t中的__softirq_pending是等待處理的軟中斷的位圖，通過(guò)設(shè)置此變量

即可告訴內(nèi)核該執(zhí)行哪些軟中斷。

static inline void __rasie_softirq_irqoff(unsigned int nr)
{
trace_softirq_raise(nr);
or_softirq_pending(1UL << nr);
}

typedef struct {
unsigned int __softirq_pending;
unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */
} irq_cpustat_t;

irq_cpustat_t irq_stat[];
#define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)
#define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))
#define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)
?

喚醒ksoftirqd內(nèi)核線程處理軟中斷。

static void wakeup_softirqd(void)
{
/* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */
struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);

if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
wake_up_process(tsk);
}
?

在下列地方，待處理的軟中斷會(huì)被檢查和執(zhí)行：

1. 從一個(gè)硬件中斷代碼處返回時(shí)

2. 在ksoftirqd內(nèi)核線程中

3. 在那些顯示檢查和執(zhí)行待處理的軟中斷的代碼中，如網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中

而不管是用什么方法喚起，軟中斷都要在do_softirq()中執(zhí)行。如果有待處理的軟中斷，

do_softirq()會(huì)循環(huán)遍歷每一個(gè)，調(diào)用它們的相應(yīng)的處理程序。

在中斷處理程序中觸發(fā)軟中斷是最常見(jiàn)的形式。中斷處理程序執(zhí)行硬件設(shè)備的相關(guān)操作，

然后觸發(fā)相應(yīng)的軟中斷，最后退出。內(nèi)核在執(zhí)行完中斷處理程序以后，馬上就會(huì)調(diào)用

do_softirq()，于是軟中斷開(kāi)始執(zhí)行中斷處理程序完成剩余的任務(wù)。

下面來(lái)看下do_softirq()的具體實(shí)現(xiàn)。

asmlinkage void do_softirq(void)
{
__u32 pending;
unsigned long flags;

/* 如果當(dāng)前已處于硬中斷或軟中斷中，直接返回 */
if (in_interrupt())?
return;

local_irq_save(flags);
pending = local_softirq_pending();
if (pending) /* 如果有激活的軟中斷 */
__do_softirq(); /* 處理函數(shù) */
local_irq_restore(flags);
}
/* We restart softirq processing MAX_SOFTIRQ_RESTART times,
* and we fall back to softirqd after that.
* This number has been established via experimentation.
* The two things to balance is latency against fairness - we want
* to handle softirqs as soon as possible, but they should not be
* able to lock up the box.
*/
asmlinkage void __do_softirq(void)
{
struct softirq_action *h;
__u32 pending;
/* 本函數(shù)能重復(fù)觸發(fā)執(zhí)行的次數(shù)，防止占用過(guò)多的cpu時(shí)間 */
int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
int cpu;

pending = local_softirq_pending(); /* 激活的軟中斷位圖 */
account_system_vtime(current);
/* 本地禁止當(dāng)前的軟中斷 */
__local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0), SOFTIRQ_OFFSET);
lockdep_softirq_enter(); /* current->softirq_context++ */
cpu = smp_processor_id(); /* 當(dāng)前cpu編號(hào) */

restart:
/* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
set_softirq_pending(0); /* 重置位圖 */
local_irq_enable();
h = softirq_vec;
do {
if (pending & 1) {
unsigned int vec_nr = h - softirq_vec; /* 軟中斷索引 */
int prev_count = preempt_count();
kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);

trace_softirq_entry(vec_nr);
h->action(h); /* 調(diào)用軟中斷的處理函數(shù) */
trace_softirq_exit(vec_nr);

if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p" "with preempt_count %08x,"
"exited with %08x? ", vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action, prev_count,
preempt_count());
}
rcu_bh_qs(cpu);
}
h++;
pending >>= 1;
} while(pending);

local_irq_disable();
pending = local_softirq_pending();
if (pending & --max_restart) /* 重復(fù)觸發(fā) */
goto restart;

/* 如果重復(fù)觸發(fā)了10次了，接下來(lái)喚醒ksoftirqd/n內(nèi)核線程來(lái)處理 */
if (pending)
wakeup_softirqd();?

lockdep_softirq_exit();
account_system_vtime(current);
__local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
}
?

(4) ksoftirqd內(nèi)核線程

內(nèi)核不會(huì)立即處理重新觸發(fā)的軟中斷。

當(dāng)大量軟中斷出現(xiàn)的時(shí)候，內(nèi)核會(huì)喚醒一組內(nèi)核線程來(lái)處理。

這些線程的優(yōu)先級(jí)最低(nice值為19)，這能避免它們跟其它重要的任務(wù)搶奪資源。

但它們最終肯定會(huì)被執(zhí)行，所以這個(gè)折中的方案能夠保證在軟中斷很多時(shí)用戶程序不會(huì)

因?yàn)榈貌坏教幚頃r(shí)間而處于饑餓狀態(tài)，同時(shí)也保證過(guò)量的軟中斷最終會(huì)得到處理。

每個(gè)處理器都有一個(gè)這樣的線程，名字為ksoftirqd/n，n為處理器的編號(hào)。

static int run_ksoftirqd(void *__bind_cpu)
{
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
current->flags |= PF_KSOFTIRQD; /* I am ksoftirqd */

while(! kthread_should_stop()) {
preempt_disable();

if (! local_softirq_pending()) { /* 如果沒(méi)有要處理的軟中斷 */
preempt_enable_no_resched();
schedule();
preempt_disable():
}

__set_current_state(TASK_RUNNING);

while(local_softirq_pending()) {
/* Preempt disable stops cpu going offline.
* If already offline, we'll be on wrong CPU: don't process.
*/
if (cpu_is_offline(long)__bind_cpu))/* 被要求釋放cpu */
goto wait_to_die;

do_softirq(); /* 軟中斷的統(tǒng)一處理函數(shù) */

preempt_enable_no_resched();
cond_resched();
preempt_disable();
rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);
}

preempt_enable();
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}

__set_current_state(TASK_RUNNING);
return 0;

wait_to_die:
preempt_enable();
/* Wait for kthread_stop */
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
while(! kthread_should_stop()) {
schedule();
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}

__set_current_state(TASK_RUNNING);
return 0;
}

?