Linux内核中断之中断调用流程

本文基于 RockPI 4A 单板Linux4.4内核介绍中断调用流程。

ARMv8包括两种运行状态：AArch64和AArch32。

AArch64中不再使用AArch32中的7种特权模式，而是提出了Exception Levels的概念，包括：

1）EL0：用于用户态程序，权限最低

2）EL1：给内核使用，权限稍高

3）EL2：虚拟化相关，权限更高

4）EL3：安全相关，权限最高

Linux内核中一般只使用EL0和EL1。

AArch64异常向量表中的异常包括：

1）Synchronous exception（同步异常）

2）SError

3）IRQ

4）FIQ

注：SError、IRQ和FIQ属于异步异常。

在Linux内核中，在 arch/arm64/kernel/entry.S 文件中定义了异常向量表，内容如下：

选取 el1_irq() 函数介绍Linux内核中断的调用流程。

文件： arch/arm64/kernel/entry.S ，调用流程如下：

1、handle_irq()初始化

在 DTS 解析阶段完成 handle_irq() 函数的初始化，流程如下：

gic_irq_domain_map() 函数中完成了 handle_irq() 函数的赋值，具体执行如下：

2、handle_irq()实现

以共享外设中断 SPI 的中断处理函数 handle_fasteoi_irq() 为例，继续跟踪中断的执行过程。

handle_irq_event_percpu() 函数会调用已经注册的中断处理函数，同时唤醒 irq_thread 线程。

3、中断处理线程

在使用 request_threaded_irq() 函数申请中断时，会创建一个 irq_thread 线程，调用流程如下：

irq_thread 线程平时在睡眠状态，等待 handle_irq_event_percpu() 函数唤醒，进一步执行已注册的中断处理线程函数。

使用 DRM 框架中 HDMI 中断验证中断调用流程。

文件： drivers\gpu\drm\bridge\synopsys\dw-hdmi.c

在中断处理函数 dw_hdmi_hardirq() 和中断处理线程函数 dw_hdmi_irq 中增加 dump_stack() 调用（ 注：仅限于调试验证 ）。

插入 HDMI 线，系统启动后，显示中断调用流程的日志如下：

和

在系统结构中，CPU工作的模式有两种，一种是中断，由各种设备发起；一种是轮询，由CPU主动发起。

中断IRQ:

中断允许让设备（如键盘，串口卡，并口等设备）表明它们需要CPU。一旦CPU接收了中断请求，CPU就会暂时停止执行正在运行的程序，并且调用一个称为中断处理器或中断服务程序（interrupt service routine）的特定程序。CPU处理完中断后，就会恢复执行之前被中断的程序。

中断分类：

硬中断+软中断

硬中断：

①非屏蔽中断：不能被屏蔽，硬件发生的错误：内存错误，风扇故障，温度传感器故障等。

②可屏蔽中断：可被CPU忽略或延迟处理。当缓存控制器的外部针脚被触发的时候就会产生这种类型的中断，而中断屏蔽寄存器就会将这样的中断屏蔽掉。我们可以将一个比特位设置为0，来禁用在此针脚触发的中断。

软中断：

是软件实现的中断,也就是程序运行时其他程序对它的中断而硬中断是硬件实现的中断,是程序运行时设备对它的中断。

CPU之间的中断处理（IPI）

处理器间中断允许一个CPU向系统其他的CPU发送中断信号，处理器间中断（IPI）不是通过IRQ线传输的，而是作为信号直接放在连接所有CPU本地APIC的总线上。

CALL_FUNCTION_VECTOR （向量0xfb）

发往所有的CPU，但不包括发送者，强制这些CPU运行发送者传递过来的函数，相应的中断处理程序叫做call_function_interrupt()，例如，地址存放在群居变量call_data中来传递的函数，可能强制其他所有的CPU都停止，也可能强制它们设置内存类型范围寄存器的内容。通常，这种中断发往所有的CPU，但通过smp_call_function()执行调用函数的CPU除外。

RESCHEDULE_VECTOR （向量0xfc）

当一个CPU接收这种类型的中断时，相应的处理程序限定自己来应答中断，当从中断返回时，所有的重新调度都自动运行。

INVALIDATE_TLB_VECTOR （向量0xfd）

发往所有的CPU，但不包括发送者，强制它们的转换后援缓冲器TLB变为无效。相应的处理程序刷新处理器的某些TLB表项。

中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

你可能要问了，为什么要有中断呢？我可以举个生活中的例子，让感受一下中断的魅力。

比如你订了一份外卖，但是不确定外卖什么时候送到，也没有别的方法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等人的，到了你这儿没人取的话，就直接走人了，所以你只能苦苦等着，时不时去门口看看外卖送到没，而不能干其他事情。

不过呢，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个电话，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到电话一响，接电话、取外卖就可以了。

这里的“打电话”，其实就是一个中断。没接到电话的时候，你可以做其他的事情；只有接到了电话（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖。

这个例子你就可以发现， 中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以， 为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。 如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就有可能要运行很长时间。

特别是，中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断都不能响应，也就是说中断有可能会丢失。

那么还是以取外卖为例。假如你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由 2 个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是，问题又来了。

当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。

但是很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

如果你弄清楚了“取外卖”的模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。事实上，为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是 上半部和下半部：

比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。

这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

除了取外卖，我再举个最常见的网卡接收数据包的例子，让你更好地理解。

网卡接收到数据包后，会通过 硬件中断 的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。你可以自己先想一下，这种情况下的上半部和下半部分别负责什么工作呢？

对上半部来说，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态（表示数据已经读好了），最后再发送一个 软中断 信号，通知下半部做进一步的处理。

而下半部被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。

所以，这两个阶段你也可以这样理解：

实际上，上半部会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部以内核线程的方式执行，并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU 编号”，比如说， 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0。

不过要注意的是，软中断不只包括了刚刚所讲的硬件设备中断处理程序的下半部，一些内核自定义的事件也属于软中断，比如内核调度和 RCU 锁（Read-Copy Update 的缩写，RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一）等。

不知道你还记不记得，前面提到过的 proc 文件系统。它是一种内核空间和用户空间进行通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。其中：

运行下面的命令，查看 /proc/softirqs 文件的内容，你就可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数：

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，你要特别注意以下这两点。

第一，要注意软中断的类型，也就是这个界面中第一列的内容。从第一列你可以看到，软中断包括了 10 个类别，分别对应不同的工作类型。比如 NET_RX 表示网络接收中断，而 NET_TX 表示网络发送中断。

第二，要注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况，也就是同一行的内容。正常情况下，同一种中断在不同 CPU 上的累积次数应该差不多。比如这个界面中，NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同一个数量级，相差不大。

不过你可能发现，TASKLET 在不同 CPU 上的分布并不均匀。TASKLET 是最常用的软中断实现机制，每个 TASKLET 只运行一次就会结束 ，并且只在调用它的函数所在的 CPU 上运行。

因此，使用 TASKLET 特别简便，当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个 CPU 上运行导致的调度不均衡，再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制。

另外，刚刚提到过，软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。那要怎么查看这些线程的运行状况呢？

其实用 ps 命令就可以做到，比如执行下面的指令：

注意，这些线程的名字外面都有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数（cmline）。一般来说，ps 的输出中，名字括在中括号里的，一般都是内核线程。

Linux 中的中断处理程序分为上半部和下半部：

上半部对应硬件中断，用来快速处理中断。

下半部对应软中断，用来异步处理上半部未完成的工作。

Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型，可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的运行情况。

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