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講到了底層硬體GIC驅動，以及Arch-Specific的中斷代碼，本文將研究下通用的中斷處理的程序，屬于硬體無關層，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. 用戶是怎么使用中斷的（中斷注冊）？
2. 外設觸發中斷信號時，最終是怎么呼叫到中斷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內核的中斷處理，圍繞著中斷描述符結構struct irq_desc展開，內核提供了兩種中斷描述符組織形式：

  1. 打開CONFIG_SPARSE_IRQ宏（中斷編號不連續），中斷描述符以radix-tree來組織，用戶在初始化時進行動態分配，然后再插入radix-tree中；
  2. 關閉CONFIG_SPARSE_IRQ宏（中斷編號連續），中斷描述符以陣列的形式組織，并且已經分配好；
  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用于對中斷控制器的硬體操作，struct irq_domain與中斷控制器對應，完成的作業是硬體中斷號到Linux irq的映射；

• 圖的上側灰色部分，中斷描述符的創建（這里指CONFIG_SPARSE_IRQ），主要在獲取設備中斷資訊的程序中完成的，從而讓設備樹中的中斷能與具體的中斷描述符irq_desc匹配；

• 圖中剩余部分，在設備申請注冊中斷的程序中進行設定，比如struct irqaction中handler的設定，這個用于指向我們設備驅動程式中的中斷處理函式了；

中斷的處理主要有以下幾個功能模塊：

1. 硬體中斷號到Linux irq中斷號的映射，并創建好irq_desc中斷描述符；
2. 中斷注冊時，先獲取設備的中斷號，根據中斷號找到對應的irq_desc，并將設備的中斷處理函式添加到irq_desc中；
3. 設備觸發中斷信號時，根據硬體中斷號得到Linux irq中斷號，找到對應的irq_desc，最終呼叫到設備的中斷處理函式；

上述的描述比較簡單，更詳細的程序，往下看吧，

3. 流程分析

3.1 中斷注冊

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：用戶是怎么使用中斷的？

1. 熟悉設備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()介面來注冊設備的中斷處理函式；
2. request_irq()/request_threaded_irq介面中，都需要用到irq，也就是中斷號，那么這個中斷號是從哪里來的呢？它是Linux irq，它又是如何映射到具體的硬體設備的中斷號的呢？

先來看第二個問題：設備硬體中斷號到Linux irq中斷號的映射

• 硬體設備的中斷資訊都在設備樹device tree中進行了描述，在系統啟動程序中，這些資訊都已經加載到記憶體中并得到了決議；
• 驅動中通常會使用platform_get_irq或irq_of_parse_and_map介面，去根據設備樹的資訊去創建映射關系（硬體中斷號到linux irq中斷號映射）；
• 【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析提到過struct irq_domain用于完成映射作業，因此在irq_create_fwspec_mapping介面中，會先去找到匹配的irq domain，再去回呼該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，最侄訓呼到gic_irq_domain_hierarchy_ops中的函式；
• 如果已經創建好了映射，那么可以直接進行回傳linux irq中斷號了，否則的話需要irq_domain_alloc_irqs來創建映射關系；
• irq_domain_alloc_irqs完成兩個作業：
  1. 針對linux irq中斷號創建一個irq_desc中斷描述符；
  2. 呼叫domain->ops->alloc函式來完成映射，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：負責決議出設備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中斷號系結到一個結構中，也就完成了映射，此外還系結了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，這個最終是中斷回應時往上執行的入口，這個是關鍵，下文講述中斷處理程序時還會提到；
• 根據硬體中斷號的范圍設定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；

上述函式執行完成后，完成了兩大作業：

1. 硬體中斷號與Linux中斷號完成映射，并為Linux中斷號創建了irq_desc中斷描述符；
2. 資料結構的系結及初始化，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：中斷是怎么來注冊的？

設備驅動中，獲取到了irq中斷號后，通常就會采用request_irq/request_threaded_irq來注冊中斷，其中request_irq用于注冊普通處理的中斷，request_threaded_irq用于注冊執行緒化處理的中斷；

在講具體的注冊流程前，先看一下主要的中斷標志位：

#define IRQF_SHARED		0x00000080              //多個設備共享一個中斷號，需要外設硬體支持
#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              //屬于特定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，不能嵌套，1）在硬體中斷處理完成后才能打開中斷；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              //系統喚醒程序中必須強制打開該中斷
#define IRQF_NO_THREAD		0x00010000              //禁止中斷執行緒化
#define IRQF_EARLY_RESUME	0x00020000              //系統喚醒程序中在syscore階段resume，而不用等到設備resume階段
#define IRQF_COND_SUSPEND	0x00040000              //與NO_SUSPEND的用戶共享中斷時，執行本設備的中斷處理函式

• 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；
• 由于在硬體中斷號和Linux中斷號完成映射后，irq_desc已經創建好，可以通過irq_to_desc介面去獲取對應的irq_desc；
• 創建irqaction，并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用于完成中斷的相關設定，包括中斷執行緒化的處理：
  1. 中斷執行緒化用于減少系統關中斷的時間，增強系統的實時性；
  2. ARM64默認開啟了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創建一個內核執行緒，如果中斷進行共享，對應irqaction將連接成鏈表，每個irqaction都有thread_mask位圖欄位，當所有共享中斷都處理完成后才能unmask中斷，解除中斷屏蔽；

3.2 中斷處理

當完成中斷的注冊后，所有結構的組織關系都已經建立好，剩下的作業就是當信號來臨時，進行中斷的處理作業，

來回顧一下【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析中的Arch-specific處理流程：

• 中斷收到之后，首先會跳轉到例外向量表的入口處，進而逐級進行回呼處理，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函式最侄訓呼叫到desc->handle_irq()，這個也就是對應到上文中在建立映射關系的程序中，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，并且遍歷irqaction鏈表，逐個呼叫action->handler()函式，這個函式正是設備驅動程式呼叫request_irq/request_threaded_irq介面注冊的中斷處理函式，此外如果中斷執行緒化處理的話，還會呼叫__irq_wake_thread()喚醒內核執行緒；
• handle_percpu_devid_irq：處理per-CPU中斷處理，在這個程序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后的喚醒流程吧__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread：

• __handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread將喚醒irq_thread中斷內核執行緒；
• irq_thread內核執行緒，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，以便后續進行呼叫；
• irq_thread內核執行緒將while(!irq_wait_for_interrupt)回圈進行中斷的處理，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，并回傳0，這樣就能執行中斷的處理，否則就呼叫schedule()進行調度，讓出CPU，并將任務設定成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接關系，這個程序就包括：中斷源資訊的決議（設備樹），硬體中斷號到Linux中斷號的映射關系、irq_desc結構的分配及初始化（內部各個結構的組織關系）、中斷的注冊（填充irq_desc結構，包括handler處理函式）等，總而言之，就是完成靜態關系創建，為中斷處理做好準備；
2. 從下到上，當外設觸發中斷信號時，中斷控制器接收到信號并發送到處理器，此時處理器進行例外模式切換，并逐步從處理器架構相關代碼逐級回呼，如果涉及到中斷執行緒化，則還需要進行中斷內核執行緒的喚醒操作，最終完成中斷處理函式的執行，

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標籤：Linux

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