前言

?? 本文介紹中斷機制，中斷作為需要頻繁使用的功能，本文將詳細介紹linux內核中的中斷機制。

?? 嵌入式驅動學習專欄將詳細記錄博主學習驅動的詳細過程，未來預計四個月將高強度更新本專欄，喜歡的可以關注本博主并訂閱本專欄，一起討論一起學習。現在關注就是老粉啦！

1. 中斷機制介紹

1.1 中斷概述

?? 當你在刷手機的時候，此時突然npy打電話來了，于是你退出刷手機狀態，接聽npy電話，此過程即為中斷。

?? 簡單來說，中斷會讓CPU停止正在執行的程序，轉而讓CPU執行中斷處理函數，執行完再返回原程序。

?? 另外，整個操作系統就是一個中斷驅動的死循環，即裸機開發中常寫的while(true) {}。其他所有的事情都是由操作系統提前注冊的中斷機制和其對應的中斷處理函數完成。

1.2 中斷的作用：

?? 中斷主要有4個用途：外設異步通知CPU，CPU間發送消息，處理CPU異常，實現系統調用

1.3 中斷的產生：

?? 中斷信號的產生有以下4個來源：

?? 1. 外設 ：外設產生的中斷信號是異步的，一般也叫硬件中斷，硬件中斷按照是否可以屏蔽分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷，例如：網卡、磁盤、定時器都可以產生硬件中斷。

?? 2. CPU：一個CPU向另一個CPU發送中斷，叫做IPI（處理器間中斷），是一種特殊的硬件中斷，也是異步的。

?? 3. CPU異常：CPU在執行指令的過程中發現異常會向自己發送中斷信號，這種中斷是同步的，一般也叫做軟件中斷。

?? 4. 中斷指令：直接用CPU指令來產生中斷信號，這種中斷和CPU異常一樣是同步的，也可以叫做軟件中斷。例如，中斷指令int 0x80可以用來實現系統調用。

2. 中斷實現原理

2.1 中斷處理流程

?? 在單片機或裸機開發中，中斷的處理方法是：

①、使能中斷，初始化相應的寄存器
②、注冊中斷服務函數，也就是向 irqTable 數組的指定標號處寫入中斷服務函數
③、中斷發生以后進入 IRQ 中斷服務函數，在 IRQ 中斷服務函數在數組 irqTable 里面查找具體的中斷處理函數，找到以后執行相應的中斷處理函數。

?? 中斷的執行時間不可以過長，否則會影響對新的中斷信號的響應性，所以要盡量縮短中斷執行場景的時間，為此對異步中斷的處理方法有兩種：

?? 1、立即完全處理：

?? 對于簡單好處理的異步中斷可以立即進行完全處理。

?? 2、立即預處理（上半部）+稍后完全處理（下半部）：

?? 對于處理起來耗時的可以采取立即預處理加稍后完全處理的方式來實現中斷。 立即預處理只能用直接處理來實現，而稍后完全處理的方法分兩類：直接中斷后處理有 softirq(軟中斷)、tasklet(微任務)、線程化中斷后處理有workqueue(工作隊列)、threaded_irq(中斷線程)。

?? 此處有一個概念：硬件中斷、軟件中斷、硬中斷、軟中斷是不同的概念，前兩個是中斷來源，后兩個是中斷處理方式。

2.2 中斷向量表

?? 我們每個人都有各自的身份證，代表每個人的唯一id，這樣通過身份證就可以指定唯一的人。中斷也是這樣的，不同的中斷信號有不同的處理方式，那么系統如何區分呢，即通過中斷向量號。中斷向量號是一個整數，CPU收到一個中斷信號會根據這個信號的中斷的向量號去查詢中斷向量表，根據中斷向量表調用相應的處理函數。

?? 中斷向量表是一個表，表里面存放的是中斷向量。中斷服務程序的入口地址或存放中端服務程序的首地址成為中斷向量，因此中斷向量表是一系列中斷服務程序入口地址組成的表。

3. 中斷來源

3.1 軟件中斷

?? 軟件中斷主要是兩類：CPU異常和指令中斷。

3.1.1 CPU異常

?? CPU在執行過程中遇到異常就會給自己發送異常信號，但是異常信號不一都是錯誤。

3.1.2 指令中斷

?? 指令中斷是因為執行指令而產生了中斷，指令中斷是執行特定指令而發生的中斷，設計這些指令的目的就是為了產生中斷。其中INT n可以產生任意中斷，Linux用int ix80來作為系統調用的指令。

3.2 硬件中斷

?? 硬件中斷分為外設中斷和處理器間中斷(IPI)。

3.2.1 外設中斷

?? 外設中斷和軟件中斷有一個很大的不同，軟件中斷是CPU自己給自己發送中斷，而外設中斷是需要外設發送中斷給CPU。顯然不可能將所有外設都直接連到CPU上，因此需要一個中間設備，替CPU連接到所有外設接受中斷信號，這個設備叫中斷控制器

?? 不同的架構有不同的中斷控制器，比如STM32這種Cortex-M內核的單片機叫NVIC，Cortex-A中叫GIC，x86上Intel開發的叫APIC。

3.2.2 處理器間中斷

4. 上半部與下半部

?? 上半部希望執行時間快，不會占用很長時間的處理；下半部多用于處理耗時的代碼，保證中斷函數的快進快出。

?? 哪部分屬于上半部，哪部分屬于下半部沒有明確規定，可以有一下一些原則：

①、要處理的內容不希望被其他中斷打斷，可以放入上半部
②、如果要處理的任務對時間敏感，可以放上半部
③、如果要處理的任務與硬件有關，可以放上半部

?? 上半部的實現直接編寫中斷處理函數，下半部有多種實現機制，具體下文介紹。

4.1 軟中斷

?? Linux內核中使用結構體softirq_action表示軟中斷。

/** @description : 注冊軟中斷處理函數* @param-nr    : 要開啟的軟中斷* @param-action: 軟中斷對應的處理函數* @return      : 無*/
void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))

?? 軟中斷類型枚舉如下：

enum
{HI_SOFTIRQ=0, /* 高優先級軟中斷 */TIMER_SOFTIRQ, /* 定時器軟中斷 */NET_TX_SOFTIRQ, /* 網絡數據發送軟中斷 */NET_RX_SOFTIRQ, /* 網絡數據接收軟中斷 */BLOCK_SOFTIRQ, BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ, TASKLET_SOFTIRQ, /* tasklet 軟中斷 */SCHED_SOFTIRQ, /* 調度軟中斷 */HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高精度定時器軟中斷 */RCU_SOFTIRQ, /* RCU 軟中斷 */NR_SOFTIRQS
};

?? 注冊好軟中斷后需要通過raise_softirq() 函數觸發

/** @description: 出發軟中斷* @param-nr   : 要觸發的中斷* @return     : 無*/
void raise_softirq(unsigned int nr)

4.2 tasklet

?? tasklet使用方法簡單、靈活，自帶有鎖機制可以防止多個CPU同時運行，是中斷處理下半部分最常用的一種方法，通過執行中斷處理程序來快速完成上半部分的工作，接著通過調用tasklet使得下半部分的工作得以完成。tasklet執行過程中是可以被硬件中斷所中止的，這樣不會影響系統實時性。是一種將任務推后執行的一種機制。

?? 軟中斷和tasklet之間，建議使用tasklet，用tasklet_struct結構體表示tasklet

struct tasklet_struct
{struct tasklet_struct *next; /* 下一個 tasklet */unsigned long state; /* tasklet 狀態 */atomic_t count; /* 計數器，記錄對 tasklet 的引用數 */void (*func)(unsigned long); /* tasklet 執行的函數 */unsigned long data; /* 函數 func 的參數 */
};

?? 初始化tasklet使用tasklet_init函數：

/** @description: 初始化tasklet* @param-t    : 要初始化的tasklet* @param-func : tasklet的處理函數* @param-data : 要傳遞給func的參數* @return     : 無*/
void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

?? 也可以使用宏定義來初始化：

#include <linux/interrupt.h>
/** @description: 初始化tasklet* @param-name : 要初始化的tasklet的名字* @param-func : tasklet的處理函數* @param-data : 要傳遞給func的參數*/
DECLARE_TASKLET(name, func, data)

?? 如果中途不想使用tasklet，則可以調用該函數釋放它，不能在tasklet回調函數調用。和初始化函數作用相反。這個函數首先等待該tasklet執行完畢，然后再將它釋放。

/** @description: 釋放tasklet* @param-t    : 要釋放的tasklet* @return     : 無*/
void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t);

?? 在上半部中，使用tasklet_schedule函數使tasklet在合適的時間運行

/** @description: 上半部中調用使tasklet運行* @param-t    : 要調度的tasklet* @return     : 無*/
void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)

?? tasklet的使用模板：

/* 定義 taselet */
struct tasklet_struct testtasklet;/* tasklet 處理函數 */
void testtasklet_func(unsigned long data)
{/* tasklet 具體處理內容 */
}/* 中斷處理函數 */
irqreturn_t test_handler(int irq, void *dev_id)
{....../* 調度 tasklet */tasklet_schedule(&testtasklet);......
}/* 驅動入口函數 */
static int __init xxxx_init(void)
{....../* 初始化 tasklet */tasklet_init(&testtasklet, testtasklet_func, data);/* 注冊中斷處理函數 */request_irq(xxx_irq, test_handler, 0, "xxx", &xxx_dev);......
}

?? 總結：tasklet被調用之后，其綁定的處理函數不會被馬上運行，需要在合適的時機去運行！在tasklet被調度以后，只要有機會它就會盡可能早的運行，在它還沒有得到運行機會之前，如果一個相同的tasklet又被調度了，那么它仍然只會運行一次。本質上tasklet鏈表不能存在相同的tasklet對象。

4.3 工作隊列

?? 工作隊列是另外一種下半部執行方式，工作隊列在進程上下文執行，工作隊列將要推后的工作交給一個內核線程去執行，因為工作隊列工作在進程上下文，因此工作隊列允許睡眠或重新調度。因此如果你要推后的工作可以睡眠那么就可以選擇工作隊列，否則的話就只能選擇軟中斷或 tasklet。

tasklet機制是在中斷上下文執行，所以在tasklet中不可以執行休眠動作。

關于workqueue與tasklet這兩個機制的選擇，看具體的工作過程有沒有休眠動作！

?? Linux內核使用work_struct 結構體表示一個工作

struct work_struct {atomic_long_t data; struct list_head entry;work_func_t func; /* 工作隊列處理函數 */
};

?? 在實際的驅動開發中，我們只需要定義工作(work_struct)即可，關于工作隊列和工作者線程基本不用管。我們需要做的是定義一個work_struct 結構體然后使用宏定義來初始化工作：

// _work表示要初始化的工作，_func是工作對應的處理函數
#define INIT_WORK(_work, _func)

?? 也可以使用 DECLARE_WORK 宏一次性完成工作的創建和初始化

// n表示定義的工作(work_struct), f表示要處理的函數
#define DECLARE_WORK(n, f)

?? 和 tasklet 一樣，工作也是需要調度才能運行的，工作的調度函數為 schedule_work

/** @description: 在上半部中對工作的調度* @param-work : 要調度的工作* @return     : 0，成功；其他值，失敗*/
bool schedule_work(struct work_struct *work)

?? 工作隊列的使用模板：

/* 定義工作(work) */
struct work_struct testwork;
/* work 處理函數 */void testwork_func_t(struct work_struct *work);
{/* work 具體處理內容 */
}/* 中斷處理函數 */
irqreturn_t test_handler(int irq, void *dev_id)
{....../* 調度 work */schedule_work(&testwork);......
}/* 驅動入口函數 */
static int __init xxxx_init(void)
{....../* 初始化 work */INIT_WORK(&testwork, testwork_func_t);/* 注冊中斷處理函數 */request_irq(xxx_irq, test_handler, 0, "xxx", &xxx_dev);......
}

?? 總結：當調用了schedule_work后很快會執行工作函數，工作函數執行完畢后work對象便自動從工作隊列中移除，所以就不需要用戶開發中在驅動卸載函數中手動移除work對象了

5. 中斷的API

?? 在Linux內核中想使用某個中斷需要申請，可以用request_irq函數，其注冊的中斷服務函數屬于中斷處理的上半部，只要中斷觸發，就會立即執行。

/** @description  : 申請中斷向量* @param-irq    : 要申請中斷的中斷號* @param-handler: 中斷處理函數* @param-flags  : 中斷標志* @param-name   : 中斷名字* @param-dev    : 如果flags是IRQF_SHARED的話，dev用來區分不同的中斷，一般情況下將dev設置為設備結構體，dev會傳遞給中斷處理函數的第二個參數* @return       : 0，中斷申請成功，其他負值表示中斷申請失敗，如果返回-EBUSY的話表示中斷已經被申請了。*/
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev);

?? 中斷標志有如下所示幾個：

標志	描述
IRQF_SHARED	多個設備共享一個中斷線，共享的所有中斷都必須指定此標志。request_irq 函數的 dev 參數就是唯一區分他們的標志
IRQF_ONESHOT	單詞觸發，中斷執行一次就結束
IRQF_TRIGGER_NONE	無觸發
IRQF_TRIGGER_RISING	上升沿觸發
IRQF_TRIGGER_FALLING	下降沿觸發
IRQF_TRIGGER_HIGH	高電平觸發
IRQF_TRIGGER_LOW	低電平觸發

?? 表中的標志可以通過 "|" 來實現各種組合。

/** @description  : 釋放相應的中斷* @param-irq    : 要釋放中斷的中斷號* @param-dev    : 如果flags是IRQF_SHARED的話，dev用來區分不同的中斷。共享中斷只有在釋放最后中斷處理函數的時候才會被禁止掉。* @return       : 無*/
void free_irq(unsigned int irq, void *dev);

/** @description : 中斷處理函數* @param-first : 中斷處理函數要響應的中斷號* @param-second: 一個void指針，需要與request_irq函數的dev參數保持一致，用于區分共享中斷的不同設備* @return      : 返回irq_handler_t，是一個枚舉類型*/
irqreturn_t(*irq_handler_t)(int, void*);

?? enable_irq()和disable_irq()用于使能和禁止中斷，其中disable_irq()要等當前正在執行的中斷函數處理函數執行完才返回，因此使用者必須保證不會產生新的中斷，并且確保所有已經開始執行的中斷處理函數已經全部退出。

/** @description: 中斷使能與禁止* @param-irq  : 要禁止的中斷號* @return     : 無*/
void enable_irq(unsigned int irq)
void disable_irq(unsigned int irq)

?? 當要立即返回時，可以使用以下函數：

/** @description: 調用后立即返回，不會等待當前中斷處理程序執行完畢* @param-irq  : 要禁止的中斷號* @return     : 無*/
void disable_irq_nosync(unsigned int irq)

?? local_irq_enable() 用于使能當前處理器中斷系統，local_irq_disable() 用于禁止當前處理器中斷系統。

/** @description: 打開和關閉全局中斷* @param      : 無* @return     : 無*/
local_irq_enable()
local_irq_disable()

?? 對于關閉全局中斷但是途中又要打開一會，執行完成后又要保持關閉狀態的話，可以使用如下函數，執行完會將中斷狀態恢復到以前的狀態。

?? local_irq_save 函數用于禁止中斷，并且將中斷狀態保存在 flags 中。local_irq_restore 用于恢復中斷，將中斷到 flags 狀態。

/** @description: 打開和關閉全局中斷* @param-flags: 保存中斷狀態的變量* @return     : 無*/
local_irq_save(flags)
local_irq_restore(flags)

參考資料

[1] 【正點原子】I.MX6U嵌入式Linux驅區動開發指南 第五十一章、第十七章

[2] 【操作系統】淺談 Linux 中的中斷機制

[3] Linux內核5. 中斷和中斷處理

[4] Linux_中斷下半部