Linux中断补充

Linux中断补充,第1张

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。

Linux内核中可使用 platform_get_irq() 函数获取 dts 文件中设置的中断号。

函数原型: int platform_get_irq(struct platform_device *dev, unsigned int num)

定义文件: drivers\base\platform.c

中断号获取函数 platform_get_irq() 调用流程如下:

rk3399 使用的是 GICv3 ,对应 irq_domain->name 。

文件: drivers/irqchip/irq-gic-v3.c 。

translate() 函数实现如下:

以 RockPI 4A 单板 Debian 系统Linux 4.4内核中的获取 HDMI 中断号为例。

1、查找中断号

从手册“Rockchip RK3399 TRM V1.3 Part1.pdf”中,可以查到 HDMI_IRQ 中断号,即55。

2、 dts 配置

文件: arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi

hdmi 使用的是 GIC_SPI 中断,按照 gic_irq_domain_translate() 函数中处理,需要将中断号55减去32,得到 dts 中的中断号23。

注: interrupts = <中断类型 中断号 中断触发类型 中断分区(对应哪个CPU cluster,PPI类型中断特有)>

3、驱动函数

文件: drivers\gpu\drm\rockchip\dw_hdmi-rockchip.c

此时, irq 返回值为55。

后续会介绍 GIC 和中断注册等实现函数。

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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