《Linux內核設計與實現》讀書筆記（七）- 中斷處理

中斷處理一般不是純軟件來實現的，需要硬件的支持。通過對中斷的學習有助于更深入的了解系統的一些底層原理，特別是驅動程序的開發。

主要內容：

• 什么是中斷
• 中斷類型
• 中斷相關函數
• 中斷處理機制
• 中斷控制方法
• 總結

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1. 什么是中斷

為了提高CPU和外圍硬件(硬盤，鍵盤，鼠標等等)之間協同工作的性能，引入了中斷的機制。

沒有中斷的話，CPU和外圍設備之間協同工作可能只有輪詢這個方法：CPU定期檢查硬件狀態，需要處理時就處理，否則就跳過。

當硬件忙碌的時候，CPU很可能會做許多無用功（每次輪詢都是跳過不處理）。

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中斷機制是硬件在需要的時候向CPU發出信號，CPU暫時停止正在進行的工作，來處理硬件請求的一種機制。

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2. 中斷類型

中斷一般分為異步中斷(一般由硬件引起)和同步中斷(一般由處理器本身引起)。

異步中斷：CPU處理中斷的時間過長，所以先將硬件復位，使硬件可以繼續自己的工作，然后在適當時候處理中斷請求中耗時的部分。

舉個例子：網卡的工作原理

1. ??? 網卡收到數據包后，向CPU發出中斷信號，請求處理接收到的數據包
2. ??? CPU將收到的數據包拷貝到內存后，即通知網卡繼續工作
3. ??? 至于數據包拷貝至內存后的處理會在適當的時候進行

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這樣做避免了處理數據包時間過長導致網卡接收數據包速度變慢。

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同步中斷：CPU處理完中斷請求的所有工作后才反饋硬件

舉個例子：系統異常處理(比如運算中的除0操作)

1. ??? 應用程序出現異常后，需要內核來處理
2. ??? 內核調用相應的異常處理函數來處理異常
3. ??? 處理完后終了應用程序或者給出message

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同步中斷應該處理能很快完成的一種中斷。

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3. 中斷相關函數

實現一個中斷，主要需要知道3個函數：

• 注冊中斷的函數
• 釋放中斷的函數
• 中斷處理程序的聲明

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3.1 注冊中斷的函數

??? 位置：<linux/interrupt.h>? include/linux/interrupt.h

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定義如下：

/** irg     - 表示要分配的中斷號* handler - 實際的中斷處理程序* flags   - 標志位，表示此中斷的具有特性* name    - 中斷設備名稱的ASCII 表示，這些會被/proc/irq和/proc/interrupts文件使用* dev     - 用于共享中斷線，多個中斷程序共享一個中斷線時(共用一個中斷號)，依靠dev來區別各個中斷程序* 返回值：* 執行成功：0* 執行失敗：非0*/
int request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler,unsigned long flags,const char* name,void *dev)

?3.2 釋放中斷的函數

定義比較簡單：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev)

如果不是共享中斷線，則直接刪除irq對應的中斷線。

如果是共享中斷線，則判斷此中斷處理程序是否中斷線上的最后一個中斷處理程序，

??? 是最后一個中斷處理程序 -> 刪除中斷線和中斷處理程序

??? 不是最后一個中斷處理程序 -> 刪除中斷處理程序

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3.3 中斷處理程序的聲明

聲明格式如下：

/* * 中斷處理程序的聲明* @irp  - 中斷處理程序(即request_irq()中handler)關聯的中斷號* @dev  - 與 request_irq()中的dev一樣，表示一個設備的結構體* 返回值：* irqreturn_t -  執行成功：IRQ_HANDLED  執行失敗：IRQ_NONE*/
static irqreturn_t intr_handler(int, irq, void *dev)

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4. 中斷處理機制

中斷處理的過程主要涉及3函數：

• do_IRQ 與體系結構有關，對所接收的中斷進行應答
• handle_IRQ_event 調用中斷線上所有中斷處理
• ret_from_intr 恢復寄存器，將內核恢復到中斷前的狀態

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處理流程可以參見書中的圖，如下：

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5. 中斷控制方法

常用的中斷控制方法見下表：

函數	說明
local_irq_disable()	禁止本地中斷傳遞
local_irq_enable()	激活本地中斷傳遞
local_irq_save()	保存本地中斷傳遞的當前狀態，然后禁止本地中斷傳遞
local_irq_restore()	恢復本地中斷傳遞到給定的狀態
disable_irq()	禁止給定中斷線，并確保該函數返回之前在該中斷線上沒有處理程序在運行
disable_irq_nosync()	禁止給定中斷線
enable_irq()	激活給定中斷線
irqs_disabled()	如果本地中斷傳遞被禁止，則返回非0；否則返回0
in_interrupt()	如果在中斷上下文中，則返回非0；如果在進程上下文中，則返回0
in_irq()	如果當前正在執行中斷處理程序，則返回非0；否則返回0

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總結

中斷處理對處理時間的要求很高，如果一個中斷要花費較長時間，那么中斷處理一般分為2部分。

上半部只做一些必要的工作后，立即通知硬件繼續自己的工作。

中斷處理中耗時的部分，也就是下半部的工作，CPU會在適當的時候去完成。