這個中斷系列文章主要針對移動設(shè)備中的Linux進行討論，文中的例子基本都是基于ARM這一體系架構(gòu)，其他架構(gòu)的原理其實也差不多，區(qū)別只是其中的硬件抽象層。內(nèi)核版本基于3.3。雖然內(nèi)核的版本不斷地提升，不過自從上一次變更到當前的通用中斷子系統(tǒng)后，大的框架性的東西并沒有太大的改變。

1. ?設(shè)備、中斷控制器和CPU

一個完整的設(shè)備中，與中斷相關(guān)的硬件可以劃分為3類，它們分別是：設(shè)備、中斷控制器和CPU本身，下圖展示了一個smp系統(tǒng)中的中斷硬件的組成結(jié)構(gòu)：

圖 1.1 ?中斷系統(tǒng)的硬件組成

設(shè)備? 設(shè)備是發(fā)起中斷的源，當設(shè)備需要請求某種服務(wù)的時候，它會發(fā)起一個硬件中斷信號，通常，該信號會連接至中斷控制器，由中斷控制器做進一步的處理。在現(xiàn)代的移動設(shè)備中，發(fā)起中斷的設(shè)備可以位于soc（system-on-chip）芯片的外部，也可以位于soc的內(nèi)部，因為目前大多數(shù)soc都集成了大量的硬件IP，例如I2C、SPI、Display Controller等等。

中斷控制器??中斷控制器負責收集所有中斷源發(fā)起的中斷，現(xiàn)有的中斷控制器幾乎都是可編程的，通過對中斷控制器的編程，我們可以控制每個中斷源的優(yōu)先級、中斷的電器類型，還可以打開和關(guān)閉某一個中斷源，在smp系統(tǒng)中，甚至可以控制某個中斷源發(fā)往哪一個CPU進行處理。對于ARM架構(gòu)的soc，使用較多的中斷控制器是VIC（Vector Interrupt Controller），進入多核時代以后，GIC（General Interrupt Controller）的應(yīng)用也開始逐漸變多。

CPU??cpu是最終響應(yīng)中斷的部件，它通過對可編程中斷控制器的編程操作，控制和管理者系統(tǒng)中的每個中斷，當中斷控制器最終判定一個中斷可以被處理時，他會根據(jù)事先的設(shè)定，通知其中一個或者是某幾個cpu對該中斷進行處理，雖然中斷控制器可以同時通知數(shù)個cpu對某一個中斷進行處理，實際上，最后只會有一個cpu相應(yīng)這個中斷請求，但具體是哪個cpu進行響應(yīng)是可能是隨機的，中斷控制器在硬件上對這一特性進行了保證，不過這也依賴于操作系統(tǒng)對中斷系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。在smp系統(tǒng)中，cpu之間也通過IPI（inter processor interrupt）中斷進行通信。

2. ?IRQ編號

系統(tǒng)中每一個注冊的中斷源，都會分配一個唯一的編號用于識別該中斷，我們稱之為IRQ編號。IRQ編號貫穿在整個Linux的通用中斷子系統(tǒng)中。在移動設(shè)備中，每個中斷源的IRQ編號都會在arch相關(guān)的一些頭文件中，例如arch/xxx/mach-xxx/include/irqs.h。驅(qū)動程序在請求中斷服務(wù)時，它會使用IRQ編號注冊該中斷，中斷發(fā)生時，cpu通常會從中斷控制器中獲取相關(guān)信息，然后計算出相應(yīng)的IRQ編號，然后把該IRQ編號傳遞到相應(yīng)的驅(qū)動程序中。

3. ?在驅(qū)動程序中申請中斷

Linux中斷子系統(tǒng)向驅(qū)動程序提供了一系列的API，其中的一個用于向系統(tǒng)申請中斷：

[cpp]?view plain?copy

int?request_threaded_irq(unsigned?int?irq,?irq_handler_t?handler,??

irq_handler_t?thread_fn,?unsigned?long?irqflags,??

const?char?*devname,?void?*dev_id)??

其中，

irq是要申請的IRQ編號，

handler是中斷處理服務(wù)函數(shù)，該函數(shù)工作在中斷上下文中，如果不需要，可以傳入NULL，但是不可以和thread_fn同時為NULL；

thread_fn是中斷線程的回調(diào)函數(shù)，工作在內(nèi)核進程上下文中，如果不需要，可以傳入NULL，但是不可以和handler同時為NULL；

irqflags是該中斷的一些標志，可以指定該中斷的電氣類型，是否共享等信息；

devname指定該中斷的名稱；

dev_id用于共享中斷時的cookie data，通常用于區(qū)分共享中斷具體由哪個設(shè)備發(fā)起；

關(guān)于該API的詳細工作機理我們后面再討論。

4. ?通用中斷子系統(tǒng)（Generic irq）的軟件抽象

在通用中斷子系統(tǒng)（generic irq）出現(xiàn)之前，內(nèi)核使用__do_IRQ處理所有的中斷，這意味著__do_IRQ中要處理各種類型的中斷，這會導(dǎo)致軟件的復(fù)雜性增加，層次不分明，而且代碼的可重用性也不好。事實上，到了內(nèi)核版本2.6.38，__do_IRQ這種方式已經(jīng)徹底在內(nèi)核的代碼中消失了。通用中斷子系統(tǒng)的原型最初出現(xiàn)于ARM體系中，一開始內(nèi)核的開發(fā)者們把3種中斷類型區(qū)分出來，他們是：

電平觸發(fā)中斷（level type）

邊緣觸發(fā)中斷（edge type）

簡易的中斷（simple type）

后來又針對某些需要回應(yīng)eoi（end of interrupt）的中斷控制器，加入了fast eoi type，針對smp加入了per cpu type。把這些不同的中斷類型抽象出來后，成為了中斷子系統(tǒng)的流控層。要使所有的體系架構(gòu)都可以重用這部分的代碼，中斷控制器也被進一步地封裝起來，形成了中斷子系統(tǒng)中的硬件封裝層。我們可以用下面的圖示表示通用中斷子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：

圖 4.1 ?通用中斷子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

硬件封裝層??它包含了體系架構(gòu)相關(guān)的所有代碼，包括中斷控制器的抽象封裝，arch相關(guān)的中斷初始化，以及各個IRQ的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化工作，cpu的中斷入口也會在arch相關(guān)的代碼中實現(xiàn)。中斷通用邏輯層通過標準的封裝接口（實際上就是struct irq_chip定義的接口）訪問并控制中斷控制器的行為，體系相關(guān)的中斷入口函數(shù)在獲取IRQ編號后，通過中斷通用邏輯層提供的標準函數(shù)，把中斷調(diào)用傳遞到中斷流控層中。我們看看irq_chip的部分定義：

[cpp]?view plain?copy

struct?irq_chip?{??

const?char??*name;??

unsigned?int????(*irq_startup)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_shutdown)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_enable)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_disable)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_ack)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_mask)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_mask_ack)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_unmask)(struct?irq_data?*data);??

void????????(*irq_eoi)(struct?irq_data?*data);??

int?????(*irq_set_affinity)(struct?irq_data?*data,?const?struct?cpumask?*dest,?bool?force);??

int?????(*irq_retrigger)(struct?irq_data?*data);??

int?????(*irq_set_type)(struct?irq_data?*data,?unsigned?int?flow_type);??

int?????(*irq_set_wake)(struct?irq_data?*data,?unsigned?int?on);??

......??

};??

看到上面的結(jié)構(gòu)定義，很明顯，它實際上就是對中斷控制器的接口抽象，我們只要對每個中斷控制器實現(xiàn)以上接口（不必全部），并把它和相應(yīng)的irq關(guān)聯(lián)起來，上層的實現(xiàn)即可通過這些接口訪問中斷控制器。而且，同一個中斷控制器的代碼可以方便地被不同的平臺所重用。

中斷流控層? 所謂中斷流控是指合理并正確地處理連續(xù)發(fā)生的中斷，比如一個中斷在處理中，同一個中斷再次到達時如何處理，何時應(yīng)該屏蔽中斷，何時打開中斷，何時回應(yīng)中斷控制器等一系列的操作。該層實現(xiàn)了與體系和硬件無關(guān)的中斷流控處理操作，它針對不同的中斷電氣類型（level，edge......），實現(xiàn)了對應(yīng)的標準中斷流控處理函數(shù)，在這些處理函數(shù)中，最終會把中斷控制權(quán)傳遞到驅(qū)動程序注冊中斷時傳入的處理函數(shù)或者是中斷線程中。目前內(nèi)核提供了以下幾個主要的中斷流控函數(shù)的實現(xiàn)（只列出部分）：

handle_simple_irq();??

handle_level_irq();? 電平中斷流控處理程序

handle_edge_irq();? 邊沿觸發(fā)中斷流控處理程序

handle_fasteoi_irq();? 需要eoi的中斷處理器使用的中斷流控處理程序

handle_percpu_irq();? 該irq只有單個cpu響應(yīng)時使用的流控處理程序

中斷通用邏輯層??該層實現(xiàn)了對中斷系統(tǒng)幾個重要數(shù)據(jù)的管理，并提供了一系列的輔助管理函數(shù)。同時，該層還實現(xiàn)了中斷線程的實現(xiàn)和管理，共享中斷和嵌套中斷的實現(xiàn)和管理，另外它還提供了一些接口函數(shù)，它們將作為硬件封裝層和中斷流控層以及驅(qū)動程序API層之間的橋梁，例如以下API：

generic_handle_irq();

irq_to_desc();

irq_set_chip();

irq_set_chained_handler();

驅(qū)動程序API??該部分向驅(qū)動程序提供了一系列的API，用于向系統(tǒng)申請/釋放中斷，打開/關(guān)閉中斷，設(shè)置中斷類型和中斷喚醒系統(tǒng)的特性等操作。驅(qū)動程序的開發(fā)者通常只會使用到這一層提供的這些API即可完成驅(qū)動程序的開發(fā)工作，其他的細節(jié)都由另外幾個軟件層較好地“隱藏”起來了，驅(qū)動程序開發(fā)者無需再關(guān)注底層的實現(xiàn)，這看起來確實是一件美妙的事情，不過我認為，要想寫出好的中斷代碼，還是花點時間了解一下其他幾層的實現(xiàn)吧。其中的一些API如下：

enable_irq();

disable_irq();

disable_irq_nosync();

request_threaded_irq();

irq_set_affinity();

這里不再對每一層做詳細的介紹，我將會在本系列的其他幾篇文章中做深入的探討。

5. ?irq描述結(jié)構(gòu)：struct irq_desc

整個通用中斷子系統(tǒng)幾乎都是圍繞著irq_desc結(jié)構(gòu)進行，系統(tǒng)中每一個irq都對應(yīng)著一個irq_desc結(jié)構(gòu)，所有的irq_desc結(jié)構(gòu)的組織方式有兩種：

基于數(shù)組方式? 平臺相關(guān)板級代碼事先根據(jù)系統(tǒng)中的IRQ數(shù)量，定義常量：NR_IRQS，在kernel/irq/irqdesc.c中使用該常量定義irq_desc結(jié)構(gòu)數(shù)組：

[cpp]?view plain?copy

struct?irq_desc?irq_desc[NR_IRQS]?__cacheline_aligned_in_smp?=?{??

[0?...?NR_IRQS-1]?=?{??

.handle_irq?=?handle_bad_irq,??

.depth??????=?1,??

.lock???????=?__RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED(irq_desc->lock),??

}??

};??

? ? ? ??基于基數(shù)樹方式? 當內(nèi)核的配置項CONFIG_SPARSE_IRQ被選中時，內(nèi)核使用基數(shù)樹（radix tree）來管理irq_desc結(jié)構(gòu)，這一方式可以動態(tài)地分配irq_desc結(jié)構(gòu)，對于那些具備大量IRQ數(shù)量或者IRQ編號不連續(xù)的系統(tǒng)，使用該方式管理irq_desc對內(nèi)存的節(jié)省有好處，而且對那些自帶中斷控制器管理設(shè)備自身多個中斷源的外部設(shè)備，它們可以在驅(qū)動程序中動態(tài)地申請這些中斷源所對應(yīng)的irq_desc結(jié)構(gòu)，而不必在系統(tǒng)的編譯階段保留irq_desc結(jié)構(gòu)所需的內(nèi)存。

下面我們看一看irq_desc的部分定義：

[cpp]?view plain?copy

struct?irq_data?{??

unsigned?int????????irq;??

unsigned?long???????hwirq;??

unsigned?int????????node;??

unsigned?int????????state_use_accessors;??

struct?irq_chip?????*chip;??

struct?irq_domain???*domain;??

void????????????*handler_data;??

void????????????*chip_data;??

struct?msi_desc?????*msi_desc;??

#ifdef?CONFIG_SMP??

cpumask_var_t???????affinity;??

#endif??

};??

[cpp]?view plain?copy

struct?irq_desc?{??

struct?irq_data?????irq_data;??

unsigned?int?__percpu???*kstat_irqs;??

irq_flow_handler_t??handle_irq;??

#ifdef?CONFIG_IRQ_PREFLOW_FASTEOI??

irq_preflow_handler_t???preflow_handler;??

#endif??

struct?irqaction????*action;????/*?IRQ?action?list?*/??

unsigned?int????????status_use_accessors;??

unsigned?int????????depth;??????/*?nested?irq?disables?*/??

unsigned?int????????wake_depth;?/*?nested?wake?enables?*/??

unsigned?int????????irq_count;??/*?For?detecting?broken?IRQs?*/??

raw_spinlock_t??????lock;??

struct?cpumask??????*percpu_enabled;??

#ifdef?CONFIG_SMP??

const?struct?cpumask????*affinity_hint;??

struct?irq_affinity_notify?*affinity_notify;??

#ifdef?CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ??

cpumask_var_t???????pending_mask;??

#endif??

#endif??

wait_queue_head_t???????wait_for_threads;??

const?char??????*name;??

}?____cacheline_internodealigned_in_smp;??

對于irq_desc中的主要字段做一個解釋：?????

irq_data??這個內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)在2.6.37版本引入，之前的內(nèi)核版本的做法是直接把這個結(jié)構(gòu)中的字段直接放置在irq_desc結(jié)構(gòu)體中，然后在調(diào)用硬件封裝層的chip->xxx()回調(diào)中傳入IRQ編號作為參數(shù)，但是底層的函數(shù)經(jīng)常需要訪問->handler_data，->chip_data，->msi_desc等字段，這需要利用irq_to_desc(irq)來獲得irq_desc結(jié)構(gòu)的指針，然后才能訪問上述字段，者帶來了性能的降低，尤其在配置為sparse irq的系統(tǒng)中更是如此，因為這意味著基數(shù)樹的搜索操作。為了解決這一問題，內(nèi)核開發(fā)者把幾個低層函數(shù)需要使用的字段單獨封裝為一個結(jié)構(gòu)，調(diào)用時的參數(shù)則改為傳入該結(jié)構(gòu)的指針。實現(xiàn)同樣的目的，那為什么不直接傳入irq_desc結(jié)構(gòu)指針？因為這會破壞層次的封裝性，我們不希望低層代碼可以看到不應(yīng)該看到的部分，僅此而已。

kstat_irqs??用于irq的一些統(tǒng)計信息，這些統(tǒng)計信息可以從proc文件系統(tǒng)中查詢。

action??中斷響應(yīng)鏈表，當一個irq被觸發(fā)時，內(nèi)核會遍歷該鏈表，調(diào)用action結(jié)構(gòu)中的回調(diào)handler或者激活其中的中斷線程，之所以實現(xiàn)為一個鏈表，是為了實現(xiàn)中斷的共享，多個設(shè)備共享同一個irq，這在外圍設(shè)備中是普遍存在的。

status_use_accessors??記錄該irq的狀態(tài)信息，內(nèi)核提供了一系列irq_settings_xxx的輔助函數(shù)訪問該字段，詳細請查看kernel/irq/settings.h

depth? 用于管理enable_irq()/disable_irq()這兩個API的嵌套深度管理，每次enable_irq時該值減去1，每次disable_irq時該值加1，只有depth==0時才真正向硬件封裝層發(fā)出關(guān)閉irq的調(diào)用，只有depth==1時才會向硬件封裝層發(fā)出打開irq的調(diào)用。disable的嵌套次數(shù)可以比enable的次數(shù)多，此時depth的值大于1，隨著enable的不斷調(diào)用，當depth的值為1時，在向硬件封裝層發(fā)出打開irq的調(diào)用后，depth減去1后，此時depth為0，此時處于一個平衡狀態(tài)，我們只能調(diào)用disable_irq，如果此時enable_irq被調(diào)用，內(nèi)核會報告一個irq失衡的警告，提醒驅(qū)動程序的開發(fā)人員檢查自己的代碼。

lock? 用于保護irq_desc結(jié)構(gòu)本身的自旋鎖。

affinity_hit? 用于提示用戶空間，作為優(yōu)化irq和cpu之間的親緣關(guān)系的依據(jù)。

pending_mask? 用于調(diào)整irq在各個cpu之間的平衡。

wait_for_threads? 用于synchronize_irq()，等待該irq所有線程完成。

irq_data結(jié)構(gòu)中的各字段：

irq? 該結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的IRQ編號。

hwirq??硬件irq編號，它不同于上面的irq；

node??通常用于hwirq和irq之間的映射操作；

state_use_accessors? 硬件封裝層需要使用的狀態(tài)信息，不要直接訪問該字段，內(nèi)核定義了一組函數(shù)用于訪問該字段：irqd_xxxx()，參見include/linux/irq.h。

chip? 指向該irq所屬的中斷控制器的irq_chip結(jié)構(gòu)指針

handler_data? 每個irq的私有數(shù)據(jù)指針，該字段由硬件封轉(zhuǎn)層使用，例如用作底層硬件的多路復(fù)用中斷。

chip_data? 中斷控制器的私有數(shù)據(jù)，該字段由硬件封轉(zhuǎn)層使用。

msi_desc? 用于PCIe總線的MSI或MSI-X中斷機制。

affinity? 記錄該irq與cpu之間的親緣關(guān)系，它其實是一個bit-mask，每一個bit代表一個cpu，置位后代表該cpu可能處理該irq。

這是通用中斷子系統(tǒng)系列文章的第一篇，這里不會詳細介紹各個軟件層次的實現(xiàn)原理，但是有必要對整個架構(gòu)做簡要的介紹：

系統(tǒng)啟動階段，取決于內(nèi)核的配置，內(nèi)核會通過數(shù)組或基數(shù)樹分配好足夠多的irq_desc結(jié)構(gòu)；

根據(jù)不同的體系結(jié)構(gòu)，初始化中斷相關(guān)的硬件，尤其是中斷控制器；

為每個必要irq的irq_desc結(jié)構(gòu)填充默認的字段，例如irq編號，irq_chip指針，根據(jù)不同的中斷類型配置流控handler；

設(shè)備驅(qū)動程序在初始化階段，利用request_threaded_irq() api申請中斷服務(wù)，兩個重要的參數(shù)是handler和thread_fn；

當設(shè)備觸發(fā)一個中斷后，cpu會進入事先設(shè)定好的中斷入口，它屬于底層體系相關(guān)的代碼，它通過中斷控制器獲得irq編號，在對irq_data結(jié)構(gòu)中的某些字段進行處理后，會將控制權(quán)傳遞到中斷流控層（通過irq_desc->handle_irq）；

中斷流控處理代碼在作出必要的流控處理后，通過irq_desc->action鏈表，取出驅(qū)動程序申請中斷時注冊的handler和thread_fn，根據(jù)它們的賦值情況，或者只是調(diào)用handler回調(diào)，或者啟動一個線程執(zhí)行thread_fn，又或者兩者都執(zhí)行；

至此，中斷最終由驅(qū)動程序進行了響應(yīng)和處理。

6. ?中斷子系統(tǒng)的proc文件接口

在/proc目錄下面，有兩個與中斷子系統(tǒng)相關(guān)的文件和子目錄，它們是：

/proc/interrupts：文件

/proc/irq：子目錄

讀取interrupts會依次顯示irq編號，每個cpu對該irq的處理次數(shù)，中斷控制器的名字，irq的名字，以及驅(qū)動程序注冊該irq時使用的名字，以下是一個例子：

/proc/irq目錄下面會為每個注冊的irq創(chuàng)建一個以irq編號為名字的子目錄，每個子目錄下分別有以下條目：

smp_affinity ? ? ? ? ? ?irq和cpu之間的親緣綁定關(guān)系；

smp_affinity_hint ? 只讀條目，用于用戶空間做irq平衡只用；

spurious ? ? ? ? ? ? ? ? ?可以獲得該irq被處理和未被處理的次數(shù)的統(tǒng)計信息；

handler_name ? ? ? 驅(qū)動程序注冊該irq時傳入的處理程序的名字；

根據(jù)irq的不同，以上條目不一定會全部都出現(xiàn)，以下是某個設(shè)備的例子：

# cd /proc/irq
# ls
ls
332
248
......
......
12
11
default_smp_affinity


# ls 332
bcmsdh_sdmmc
spurious
node
affinity_hint
smp_affinity


# cat 332/smp_affinity
3

可見，以上設(shè)備是一個使用雙核cpu的設(shè)備，因為smp_affinity的值是3，系統(tǒng)默認每個中斷可以由兩個cpu進行處理。

?