漫画-Linux中断子系统综述

来自:嵌入式Linux(微信号:Linux-c-world),作者:小南瓜地瓜

1、中断引发的面试教训




2、什么是中断?

中断: (英语:Interrupt)指当出现需要时,CPU暂时停止当前程序的执行转而执行处理新情况的程序和执行过程。
即在程序运行过程中,系统出现了一个必须由CPU立即处理的情况,此时,CPU暂时中止程序的执行转而处理这个新的情况的过程就叫做中断。
中断 在嵌入式软件中几乎不能离开它,你看到的几乎所有的芯片都有中断功能,不管是裸机程序STC89C51还是嵌入式Linux系统,还是其他的RTOS系统都有中断。每个外接设备申请一个唯一的中断号,让外设发生中断时,向CPU报告自己的中断号,CPU知道是哪个设备发生中断,然后执行相对应的操作。

3、为什么要用中断?

4、Linux中断子系统

4.1、中断系统相关硬件描述



4.1.1、多个Interrupt controller和多个cpu之间的拓扑结构

  • 第一种,就是有一个Root GIC(Generic Interrupt Controller)连接多个CPU,然后second GIC 接在 Root GIC上,Sencond GIC只负责上报中断信息给Root GIC,Root GIC负责接收Second GIC中断信息然后给CPU汇报中断信息。

  • 第二种就是Root GIC 负责给cpu0-cpu4汇报工作,Second GIC负责给cpu3-cpu7汇报工作。这样设计的弊端就是Second GIC上的中断信号不能传给Cpu0-Cpu3,这样的设计理论上不是很完美。

4.1.2、Interrupt controller把中断事件送给哪个CPU?


在 SMP 体系结构中(cpu三大架构 numa smp mpp 之一),我们可以通过调用系统调用和一组相关的宏来设置 CPU 亲和力(CPU affinity),将一个或多个进程绑定到一个或多个处理器上运行。
中断在这方面也毫不示弱,也具有相同的特性。中断亲和力是指将一个或多个中断源绑定到特定的 CPU 上运行。中断亲和力最初由 Ingo Molnar 设计并实现。
在 /proc/irq 目录中,对于已经注册中断处理程序的硬件设备,都会在该目录下存在一个以该中断号命名的目录 IRQ# ,IRQ# 目录下有一个 smp_affinity 文件(SMP 体系结构才有该文件),它是一个 CPU 的位掩码,可以用来设置该中断的亲和力, 默认值为 0xffffffff,表明把中断发送到所有的 CPU 上去处理。如果中断控制器不支持 IRQ affinity,不能改变此默认值,同时也不能关闭所有的 CPU 位掩码,即不能设置成 0x0。


举个栗子
我们以网卡(eth1,中断号 44 )为例,在具有 8 个 CPU 的服务器上来设置网卡中断的亲和力(以下数据出自内核源码 Documentation\IRQ-affinity.txt):

[root@moon 44]# cat smp_affinity
ffffffff
[root@moon 44]# echo 0f > smp_affinity
[root@moon 44]# cat smp_affinity
0000000f
[root@moon 44]# ping -f h
PING hell (195.4.7.3): 56 data bytes
...
--- hell ping statistics ---
6029 packets transmitted, 6027 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max 
0.1/0.1/0.4 ms
[root@moon 44]# cat /proc/interrupts | grep 44:
 44:   0   1785   1785   1783   1783   1   1   0   IO-APIC-level   eth1
[root@moon 44]# echo f0 > smp_affinity
[root@moon 44]# ping -f h
PING hell (195.4.7.3): 56 data bytes
..
--- hell ping statistics ---
2779 packets transmitted, 2777 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max 
0.1/0.5/585.4 ms
[root@moon 44]# cat /proc/interrupts | grep 44:
 44:  1068  1785  1785  1784   1784   1069   1070   1069   IO-APIC-level  eth1
[root@moon 44]#

在上例中,我们首先只允许在 CPU0-3 上处理网卡中断,接着运行 ping 程序,不难发现在 CPU4-7 上并没有对网卡中断进行处理。然后只在 CPU4-7 上对网卡中断进行处理, CPU0-3 不对网卡中断进行任何处理,运行 ping 程序之后,再次查看 /proc/interrupts 文件时,不难发现 CPU4~7 上的中断次数明显增加,而 CPU0~3 上的中断次数没有太大的变化

4.2、中断子系统相关的软件框架

4.2.1、中断上半部分和下半部分

中断处理程序的这两个目标相互冲突:

  • 快点执行

  • 执行大量工作

由于这些竞争目标,中断的处理分为两部分或一半:

  • 上半部分。中断处理程序是上半部分。上半部分在收到中断后立即运行,仅执行对时间要求严格的工作,例如确认收到中断或重置硬件。

  • 下半部分。可以在以后执行的工作推迟到下半部分。下半部分将在更方便的时间运行,并启用所有中断。

4.2.2、中断分类

中断如果分为两大类,那就是同步中断和异步中断,如果根据中断原因来分,可以分为四种。具体如下图

4.2.3、中断上下文

执行中断处理程序时,内核处于中断上下文中
与进程上下文的区别:
进程上下文是内核在代表进程执行时所处的操作模式,例如执行系统调用或运行内核线程。
在进程上下文中,current宏(在内核中,可以通过current宏来获得当前执行进程的task_struct指针)指向关联的任务。
由于进程在进程上下文中耦合到内核,因此进程上下文可以休眠或以其他方式调用调度程序。

current宏在发生中断的时候,它指向中断的进程。
没有后备进程,中断上下文无法休眠,无法重新安排。因此,您无法从中断上下文中调用某些函数。如果函数休眠,则不能从中断处理程序中使用它:这限制了可以从中断处理程序调用的函数。中断上下文是时间关键的,因为中断处理程序会中断其他代码。
应该记住,中断处理程序已经中断了其他代码(可能甚至是另一行上的另一个中断处理程序)。由于异步性质,所有中断处理程序必须尽可能快速和简单。应尽可能地将工作从中断处理程序中推出,并在下半部分执行,后者在更方便的时间运行。

4.2.4、linux kernel的中断子系统

架构图如下所示:


由上面的block图,我们可知linux kernel的中断子系统分成4个部分:
  • 硬件无关的代码,我们称之Linux kernel通用中断处理模块。无论是哪种CPU,哪种controller,其中断处理的过程都有一些相同的内容,这些相同的内容被抽象出来,和HW无关。此外,各个外设的驱动代码中,也希望能用一个统一的接口实现irq相关的管理(不和具体的中断硬件系统以及CPU体系结构相关)这些“通用”的代码组成了linux kernel interrupt subsystem的核心部分。

  • CPU architecture相关的中断处理。 和系统使用的具体的CPU architecture相关。

  • Interrupt controller驱动代码 。和系统使用的Interrupt controller相关。

  • 普通外设的驱动。这些驱动将使用Linux kernel通用中断处理模块的API来实现自己的驱动逻辑。

4.2.5、中断调试

  • 用示波器查看硬件是否真实产生了中断

  • cat /proc/interrupts  里面列举了系统申请的所有中断,查看自己注册的中断是否在里面

  • cat cat /proc/irq/[num]/  里面很多可以查看和调试的参数

4.2.6、Linux中断是否可以嵌套吗?



它的commit log清晰地解释中断嵌套可能引入的一些risk,比如stack溢出等。也就是说,从这个commit开始,实际Linux已经不再支持中断的嵌套, 也没有快慢中断的概念了,IRQF_DISABLED标记也作废了。在IRQ HANDLER里面,无论一个中断设置还是不设置IRQF_DISABLED, 内核都不会开启CPU对中断的响应
具体查看链接:
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=e58aa3d2d0cc



5、参考

http://www.wowotech.net/irq_subsystem/interrupt_subsystem_architecture.html/comment-page-2
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-linuxkernelint/index.html
https://notes.shichao.io/lkd/ch7/#interrupt-contro

推荐↓↓↓
Linux学习
上一篇:“红帽不要脸”?20年来首次修改logo 下一篇:「玩转树莓派」搭建智能家居远程监控系统