# 背景 - `Read the fucking source code!` --By 魯迅 - `A picture is worth a thousand words.` --By 高爾基 說明： 1. Kernel版本：4.14 2. ARM64處理器，Contex-A53，雙核 3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio # 1. 概述 [【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析](https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/12996812.html)講到了底層硬體GIC驅動，以及Arch-Specific的中斷程式碼，本文將研究下通用的中斷處理的過程，屬於硬體無關層。當然，我還是建議你看一下上篇文章。 這篇文章會解答兩個問題： 1. 使用者是怎麼使用中斷的（`中斷註冊`）？ 2. 外設觸發中斷訊號時，最終是怎麼呼叫到中斷handler的（`中斷處理`）？ # 2. 資料結構分析 先來看一下總的資料結構，核心是圍繞著`struct irq_desc`來展開：  - Linux核心的中斷處理，圍繞著中斷描述符結構`struct irq_desc`展開，核心提供了兩種中斷描述符組織形式： 1. 開啟`CONFIG_SPARSE_IRQ`巨集（中斷編號不連續），中斷描述符以`radix-tree`來組織，使用者在初始化時進行動態分配，然後再插入`radix-tree`中； 2. 關閉`CONFIG_SPARSE_IRQ`巨集（中斷編號連續），中斷描述符以陣列的形式組織，並且已經分配好； 3. 不管哪種形式，最終都可以通過`linux irq`號來找到對應的中斷描述符； - 圖的左側灰色部分，主要在中斷控制器驅動中進行初始化設定，包括各個結構中函式指標的指向等，其中`struct irq_chip`用於對中斷控制器的硬體操作，`struct irq_domain`與中斷控制器對應，完成的工作是硬體中斷號到`Linux irq`的對映； - 圖的上側灰色部分，中斷描述符的建立（這裡指`CONFIG_SPARSE_IRQ`），主要在獲取裝置中斷資訊的過程中完成的，從而讓裝置樹中的中斷能與具體的中斷描述符`irq_desc`匹配； - 圖中剩餘部分，在裝置申請註冊中斷的過程中進行設定，比如`struct irqaction`中`handler`的設定，這個用於指向我們裝置驅動程式中的中斷處理函數了； 中斷的處理主要有以下幾個功能模組： 1. 硬體中斷號到`Linux irq`中斷號的對映，並建立好`irq_desc`中斷描述符； 2. 中斷註冊時，先獲取裝置的中斷號，根據中斷號找到對應的`irq_desc`，並將裝置的中斷處理函式新增到`irq_desc`中； 3. 裝置觸發中斷訊號時，根據硬體中斷號得到`Linux irq`中斷號，找到對應的`irq_desc`，最終呼叫到裝置的中斷處理函式； 上述的描述比較簡單，更詳細的過程，往下看吧。 # 3. 流程分析 ## 3.1 中斷註冊 這一次，讓我們以問題的方式來展開： 先來讓我們回答第一個問題：使用者是怎麼使用中斷的？ 1. 熟悉裝置驅動的同學應該都清楚，經常會在驅動程式中呼叫`request_irq()`介面或者`request_threaded_irq()`介面來註冊裝置的中斷處理函式； 2. `request_irq()/request_threaded_irq`介面中，都需要用到`irq`，也就是中斷號，那麼這個中斷號是從哪裡來的呢？它是`Linux irq`，它又是如何對映到具體的硬體裝置的中斷號的呢？ > 先來看第二個問題：裝置硬體中斷號到`Linux irq`中斷號的對映  - 硬體裝置的中斷資訊都在裝置樹`device tree`中進行了描述，在系統啟動過程中，這些資訊都已經載入到記憶體中並得到了解析； - 驅動中通常會使用`platform_get_irq`或`irq_of_parse_and_map`介面，去根據裝置樹的資訊去建立對映關係（硬體中斷號到`linux irq`中斷號對映）； - [【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析](https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/12996812.html)提到過`struct irq_domain`用於完成對映工作，因此在`irq_create_fwspec_mapping`介面中，會先去找到匹配的`irq domain`，再去回撥該`irq domain`中的函式集，通常`irq domain`都是在中斷控制器驅動中初始化的，以`ARM GICv2`為例，最終回撥到`gic_irq_domain_hierarchy_ops`中的函式； - 如果已經建立好了對映，那麼可以直接進行返回`linux irq`中斷號了，否則的話需要`irq_domain_alloc_irqs`來建立對映關係； - `irq_domain_alloc_irqs`完成兩個工作： 1. 針對`linux irq`中斷號建立一個`irq_desc`中斷描述符； 2. 呼叫`domain->ops->alloc`函式來完成對映，在`ARM GICv2`驅動中對應`gic_irq_domain_alloc`函式，這個函式很關鍵，所以下文介紹一下； `gic_irq_domain_alloc`函式如下：  - `gic_irq_domain_translate`：負責解析出裝置樹中描述的中斷號和中斷觸發型別（邊緣觸發、電平觸發等）； - `gic_irq_domain_map`：將硬體中斷號和linux中斷號繫結到一個結構中，也就完成了對映，此外還綁定了`irq_desc`結構中的其他欄位，最重要的是設定了`irq_desc->handle_irq`的函式指標，這個最終是中斷響應時往上執行的入口，這個是關鍵，下文講述中斷處理過程時還會提到； - 根據硬體中斷號的範圍設定`irq_desc->handle_irq`的指標，共享中斷入口為`handle_fasteoi_irq`，私有中斷入口為`handle_percpu_devid_irq`； 上述函式執行完成後，完成了兩大工作： 1. 硬體中斷號與Linux中斷號完成對映，併為Linux中斷號建立了`irq_desc`中斷描述符； 2. 資料結構的繫結及初始化，關鍵的地方是設定了中斷處理往上執行的入口； > 再看第一個問題：中斷是怎麼來註冊的？ 裝置驅動中，獲取到了`irq`中斷號後，通常就會採用`request_irq/request_threaded_irq`來註冊中斷，其中`request_irq`用於註冊普通處理的中斷，`request_threaded_irq`用於註冊執行緒化處理的中斷； 在講具體的註冊流程前，先看一下主要的中斷標誌位： ```c #define IRQF_SHARED 0x00000080 //多個裝置共享一箇中斷號，需要外設硬體支援 #define IRQF_PROBE_SHARED 0x00000100 //中斷處理程式允許sharing mismatch發生 #define __IRQF_TIMER 0x00000200 //時鐘中斷 #define IRQF_PERCPU 0x00000400 //屬於特定CPU的中斷 #define IRQF_NOBALANCING 0x00000800 //禁止在CPU之間進行中斷均衡處理 #define IRQF_IRQPOLL 0x00001000 //中斷被用作輪訓 #define IRQF_ONESHOT 0x00002000 //一次性觸發的中斷，不能巢狀，1）在硬體中斷處理完成後才能開啟中斷；2）在中斷執行緒化中保持關閉狀態，直到該中斷源上的所有thread_fn函式都執行完 #define IRQF_NO_SUSPEND 0x00004000 //系統休眠喚醒操作中，不關閉該中斷 #define IRQF_FORCE_RESUME 0x00008000 //系統喚醒過程中必須強制開啟該中斷 #define IRQF_NO_THREAD 0x00010000 //禁止中斷執行緒化 #define IRQF_EARLY_RESUME 0x00020000 //系統喚醒過程中在syscore階段resume，而不用等到裝置resume階段 #define IRQF_COND_SUSPEND 0x00040000 //與NO_SUSPEND的使用者共享中斷時，執行本裝置的中斷處理函式 ```  - `request_irq`也是呼叫`request_threaded_irq`，只是在傳參的時候，執行緒處理函式`thread_fn`函式設定成NULL； - 由於在硬體中斷號和Linux中斷號完成對映後，`irq_desc`已經建立好，可以通過`irq_to_desc`介面去獲取對應的`irq_desc`； - 建立`irqaction`，並初始化該結構體中的各個欄位，其中包括傳入的中斷處理函式賦值給對應的欄位； - `__setup_irq`用於完成中斷的相關設定，包括中斷執行緒化的處理： 1. 中斷執行緒化用於減少系統關中斷的時間，增強系統的實時性； 2. ARM64預設開啟了`CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING`，引導引數傳入`threadirqs`時，則除了`IRQF_NO_THREAD`外的中斷，其他的都將強制執行緒化處理； 3. 中斷執行緒化會為每個中斷都建立一個核心執行緒，如果中斷進行共享，對應`irqaction`將連線成連結串列，每個`irqaction`都有`thread_mask`點陣圖欄位，當所有共享中斷都處理完成後才能`unmask`中斷，解除中斷遮蔽； ## 3.2 中斷處理 當完成中斷的註冊後，所有結構的組織關係都已經建立好，剩下的工作就是當訊號來臨時，進行中斷的處理工作。 來回顧一下[【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析](https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/12996812.html)中的Arch-specific處理流程：  - 中斷收到之後，首先會跳轉到異常向量表的入口處，進而逐級進行回撥處理，最終呼叫到`generic_handle_irq`來進行中斷處理。 `generic_handle_irq`處理如下圖：  - `generic_handle_irq`函式最終會呼叫到`desc->handle_irq()`，這個也就是對應到上文中在建立對映關係的過程中，呼叫`irq_domain_set_info`函式，設定好了函式指標，也就是`handle_fasteoi_irq`和`handle_percpu_devid_irq`； - `handle_fasteoi_irq`：處理共享中斷，並且遍歷`irqaction`連結串列，逐個呼叫`action->handler()`函式，這個函式正是裝置驅動程式呼叫`request_irq/request_threaded_irq`介面註冊的中斷處理函式，此外如果中斷執行緒化處理的話，還會呼叫`__irq_wake_thread()`喚醒核心執行緒； - `handle_percpu_devid_irq`：處理per-CPU中斷處理，在這個過程中會分別呼叫中斷控制器的處理函式進行硬體操作，該函式呼叫`action->handler()`來進行中斷處理； 來看看中斷執行緒化處理後的喚醒流程吧`__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread`：  - `__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread`將喚醒`irq_thread`中斷核心執行緒； - `irq_thread`核心執行緒，將根據是否為強制中斷執行緒化對函式指標`handler_fn`進行初始化，以便後續進行呼叫； - `irq_thread`核心執行緒將`while(!irq_wait_for_interrupt)`迴圈進行中斷的處理，當滿足條件時，執行`handler_fn`，在該函式中最終呼叫`action->thread_fn`，也就是完成了中斷的處理； - `irq_wait_for_interrupt`函式，將會判斷中斷執行緒的喚醒條件，如果滿足了，則將當前任務設定成`TASK_RUNNING`狀態，並返回0，這樣就能執行中斷的處理，否則就呼叫`schedule()`進行排程，讓出CPU，並將任務設定成`TASK_INTERRUPTIBLE`可中斷睡眠狀態； ## 3.3 總結 中斷的處理，總體來說可以分為兩部分來看： 1. 從上到下：圍繞`irq_desc`中斷描述符建立好連線關係，這個過程就包括：中斷源資訊的解析（裝置樹），硬體中斷號到Linux中斷號的對映關係、`irq_desc`結構的分配及初始化（內部各個結構的組織關係）、中斷的註冊（填充`irq_desc`結構，包括handler處理函式）等，總而言之，就是完成靜態關係建立，為中斷處理做好準備； 2. 從下到上，當外設觸發中斷訊號時，中斷控制器接收到訊號併發送到處理器，此時處理器進行異常模式切換，並逐步從處理器架構相關程式碼逐級回撥。如果涉及到中斷執行緒化，則還需要進行中斷核心執行緒的喚醒操作，最終完成中斷處理函式的執行。 歡迎關注個人公眾號，不定期分享Linux核心機制文章 ![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202006/1771657-20200605223526643-13623665