中斷 part 2

1.5 Interrupt Flow Handling （中斷流處理）

前面提到了 IRQ 子系統的三個 抽象層： High-level interrupt Service routine, Interrupt Flow Handling, Chip-level hardware Encapsulation. 本節描述 Interrupt Flow Handling 的過程， 即， 處理邊沿觸發、水準觸發等等的過程。

1.5.1 設置控制硬體 (Setting Controller Hardware)

內核提供了一些標準函數用於註冊 irq_chips 和設置 flow handlers ，如下：

int  set_irq_chip(unsigned int irq, struct irq_chip *chip);
int set_irq_handler(unsigned int irq, irq_flow_handler_t handle)
int  set_irq_chip_data(unsigned int irq, void *data);
void set_irq_chip_and_handler(unsigned int irq, struct irq_chip *chip,
                              irq_flow_handler_t handle);
void set_irq_chip_and_handler_name(unsigned int irq, struct irq_chip *chip,
                                   irq_flow_handler_t handle, const char *name);

• set_irq_chip: 該函數用於將一個 IRQ Chip (irq_chip 的實例) 與一個特定的中斷相關聯。 除了從 irq_desc 中選擇合適的元素外，該函數還負責設置 chip 中的指標， 並且設置預設的中斷處理函數。
• set_irq_handler 和 set_irq_chained_handler: 為指定的 IRQ 設置 flow handler function， 兩者在內部均使用 __set_irq_handler ， __set_irq_handler 進行一些檢查，並設置 irq_desc[irq]->handle_irq.
• set_chip_and_handler: 一個輔助函數，使用它可以避免逐個的使用前面提到的三個函數。

1.5.2 Flow Handling

前面提到，中斷有不同的觸發方式： edge-trggering 或者 level-triggering， 內核對他們的處理方式有所不同。但相同的是，這兩個處理中，都需要在 flow-handling 完成後負責調用 high-level 的中斷處理函數。

• 邊沿觸發中斷 (Edge-Triggered Interrupts)

邊沿觸發方式在現代的硬體中是最常見的一種方式，該方式的預設處理函數為 handle_edge_irq .

邊沿觸發中斷，在處理時候一般無需禁用該中斷源。這樣，在多處理器系統上，可能會出現這種情況： 一個處理器上正在處理這個Flow-Handnle，此時在這個處理過程尚未完成的時候，又產生了另外一個邊沿觸發的中斷。 對於這種情況， handler_edge_irq 的處理方法是：先更新這個 irq 的 irq_desc 上的狀態為 PENDING， 然後暫時將這個中斷 mask 掉（這裡的 mask 是通過 irq_chip 結構提供的函數在硬體上操作，而不是內核中軟體意義上的 mask）； 而前面負責處理這個 irq 的 CPU ， 在處理完了一個 IRQ 後，檢查這個 irq_desc 的狀態，如果為 PENDING， 則表示在前面的處理過程中又有新的中斷信號產生了，需要繼續處理，直到這個 irq_desc 的狀態不是 PENDING 為止。

在 Flow-Handle 的每個迴圈的結尾， hander_edge_irq 都會以 iqd_desc->action 為參數來通過 handle_IRQevent 調用 High-level 處理函數。

整體流程如下圖所示：

                  handle_edge_irq 流程

• 水準觸發中斷 (Level-Triggered Interrupts)

Level-Triggered Interrups 由函數 handle_level_irq 負責處理，他的流程比 handle_edge_irq 要簡單一些， 如下圖所示：

handle_level_irq 流程

需要注意的是， Level-Triggered Interrups 在處理的時候必須要將其 Mask 掉，這個 Mask 的過程通過函數 mask_ack_irq 來完成。 maks_ack_irq 不但將 irq_desc 的狀態設置為 mask ，同時還調用了 chip->mask_ack 來設置硬體的 mask ， 並向硬體發送 ACK 。 對於多核 CPU 所潛在的競爭冒險¹，可以通過檢測 irq_desc 的狀態來避免 —— 一旦檢測到 irq_desc->status 中包含了 IRQ_INPROGRESS ，則表明該 irq 正在被處理，直接退出即可。

同邊沿觸發的處理一樣，這裡也通過 handle_IRQ_event 來調用了 High-level 的處理函數。

• 其他類型的中斷

除了上述兩種類型的的中斷之外，還有一些其他不常用的中斷，內核為他們提供了默認的 handler 。

• handle_fasteoi_irq

很多現代的 IRQ 硬體僅需要做一點點流處理工作 （Flow-Handle），對他們來講，在 IRQ 處理完畢之後， 只需要調用一個 Chip-specific 的函數： chip->eoi 就可以了， 函數 handle_fasteoi_irq 負責這個工作。

• handle_simple_irq

一些實在是很簡單的中斷根本就不需要流控制，內核為他們提供了 handle_simple_irq 。

• handle_percpu_irq

有些 IRQ 只能發上在 SMP 上的某個指定的 CPU 上，這種 IRQ 被成為 Per-CPU IRQ ， 內核提供了 handle_percpu_irq 來處理他們。該函數負責在中斷處理完成之後向硬體彙報中斷的接收，並調用 EOI 。

1.6 IRQ 的初始化及預留

1.6.1 IRQ 的註冊

函數 request_irq 用於註冊 IRQ ， 其定義為：

static inline int __must_check
request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
        const char *name, void *dev)
{
    return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);
}

可見，該函數是 request_threaded_irq 的一個 wrapper ，並將 request_threaded_irq 的參數 thread_fn 設置為空。 request_threaded_irq 的流程圖如下圖所示：

request_threaded_irq

該函數首先從內核中獲取了這個 irq 對應的 irq_desc， 然後創建 irqaction， 設置這個 action 的 handler, flags, name, 和 dev_id 。 隨後，將其餘的工作交給了函數 __setup_irq， 由 __setup_irq 完後後續的工作。

__setup_irq 的主要作用如下：

• 設置內核熵池

前面提到過，內核通過一系列的事件的相關資訊來生成亂數 （/dev/random），這裡，如果傳入的 flags 中聲明了 IRQF_SAMPLE_RANDOM ，則調用 rand_initialize_irq 將 IRQ 添加到熵池所需的相關資料結構中。

• 添加 irqaction

前面提到，內核有一個全域的 irq_desc Array， 從這個 Array 中可以根據 IRQ Number 來找到相應的 irq_desc ； 此外，每個 irq_desc 中有一個 irqaction list ，這個 list 中記錄了該 irq 中斷發生時候需要調用的每一個 irqaction 。 __setup_irq 需要將傳入的 irqaction 添加到這個 list 的隊尾。

• 其他的 irq flags 檢查

根據傳入參數的flags， 做一些別的檢查和設置，沒具體細看。

• 註冊 proc 檔案系統

__setup_irq 的最後，調用 register_irq_proc ，在 proc/irq 中為相應的 IRQ 創建了節點。 然後又調用 register_handler_proc ， 生成/proc/irq/NUM/NAME 。從而使用戶可以從 procfs 中得到該 IRQ 的信息。

1.6.2 釋放 IRQ

在釋放 IRQ 的時候，僅提供一個 IRQ Number 不行的，還必須提供這個 IRQ 對應的 dev_id. 該過程由函數 free_irq 來完成， free_irq 是 __free_irq 的一個包裝，調 用 __free_irq 來完成 irqaction 的註銷。

__free_irq 根據傳入的 dev_id 從這個 IRQ 的所有 irqaction 上找到設備對應的那個 irqaction ， 並將其從 IRQ 的 irqaction List 中移走； 如果移走的這個 handler 是這個 IRQ Line 上唯一的一個， 那麼還需要將這個 IRQ Line Diable。隨後，清理 proc 檔案系統中的結點， 並將 action 這個結構返回給 free_irq, 由 free_irq 負責將資料結構 free 。

1.6.3 中斷的註冊 (Registering Interrupts, 指系統中斷)

前面提到的 irq_request 僅用於外設的 IRQ 申請， 而對於 CPU 本身已經軟體上的中斷，處理的流程與此不同。 諸如軟體發出的中斷、異常以及陷阱，這些東西的註冊是在系統初始化的時候執行的，並且初始化完成之後，在整個系統的活動週期內不會發生改變。由於系統的中斷是不能共用的（也沒有必要共用，資源多得很），內核所需要做的，僅僅是將中斷號和處理函數相關聯。

一般來講，內核對於這種系統中斷的回應有如下兩種：

• 當錯誤發生的時候，向當前使用者進程發送信號：

例如，在 IA-32 和 AMD64 系統，當一個數位被0除的時候，會產生中斷 0 ， 這個中斷會調用處理函數 divide_error ，並向使用者進程發送信號 —— SIGPFE 。

• 錯誤發生後， 內核自動校正錯誤：

例如 IA-32 系統下， 中斷 14 被用來作為 page fault （記憶體卻頁或者分頁錯誤）的信號，當這個錯誤發生的時候，內核可以自動對該錯誤進行糾正。

Footnotes:

¹ 競爭冒險和前面提到的邊沿觸發中斷的嵌套不同，由於處理 Level-Triggered Interrups 時候， 中斷源那個硬體已經被暫時 Mask 掉，因此在一個水準觸發中斷的處理期間，同一個設備不會產生另外一個水準觸發中斷。 因此，競爭冒險指的是多個 CPU 同時選定要處理同一個 irq 。