這個中斷系列文章主要針對移動設備中的Linux進行討論，文中的例子基本都是基于ARM這一體系架構，其他架構的原理其實也差不多，區(qū)別只是其中的硬件抽象層。內(nèi)核版本基于3.3。雖然內(nèi)核的版本不斷地提升，不過自從上一次變更到當前的通用中斷子系統(tǒng)后，大的框架性的東西并沒有太大的改變。

　　1. 設備、中斷控制器和CPU

　　一個完整的設備中，與中斷相關的硬件可以劃分為3類，它們分別是：設備、中斷控制器和CPU本身，下圖展示了一個smp系統(tǒng)中的中斷硬件的組成結構：

　　圖 1.1 中斷系統(tǒng)的硬件組成

　　設備 設備是發(fā)起中斷的源，當設備需要請求某種服務的時候，它會發(fā)起一個硬件中斷信號，通常，該信號會連接至中斷控制器，由中斷控制器做進一步的處理。在現(xiàn)代的移動設備中，發(fā)起中斷的設備可以位于soc(system-on-chip)芯片的外部，也可以位于soc的內(nèi)部，因為目前大多數(shù)soc都集成了大量的硬件IP，例如I2C、SPI、Display Controller等等。

　　中斷控制器 中斷控制器負責收集所有中斷源發(fā)起的中斷，現(xiàn)有的中斷控制器幾乎都是可編程的，通過對中斷控制器的編程，我們可以控制每個中斷源的優(yōu)先級、中斷的電器類型，還可以打開和關閉某一個中斷源，在smp系統(tǒng)中，甚至可以控制某個中斷源發(fā)往哪一個CPU進行處理。對于ARM架構的soc，使用較多的中斷控制器是VIC(Vector Interrupt Controller)，進入多核時代以后，GIC(General Interrupt Controller)的應用也開始逐漸變多。

　　CPU cpu是最終響應中斷的部件，它通過對可編程中斷控制器的編程操作，控制和管理者系統(tǒng)中的每個中斷，當中斷控制器最終判定一個中斷可以被處理時，他會根據(jù)事先的設定，通知其中一個或者是某幾個cpu對該中斷進行處理，雖然中斷控制器可以同時通知數(shù)個cpu對某一個中斷進行處理，實際上，最后只會有一個cpu相應這個中斷請求，但具體是哪個cpu進行響應是可能是隨機的，中斷控制器在硬件上對這一特性進行了保證，不過這也依賴于操作系統(tǒng)對中斷系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。在smp系統(tǒng)中，cpu之間也通過IPI(inter processor interrupt)中斷進行通信。

　　2. IRQ編號

　　系統(tǒng)中每一個注冊的中斷源，都會分配一個唯一的編號用于識別該中斷，我們稱之為IRQ編號。IRQ編號貫穿在整個Linux的通用中斷子系統(tǒng)中。在移動設備中，每個中斷源的IRQ編號都會在arch相關的一些頭文件中，例如arch/xxx/mach-xxx/include/irqs.h。驅(qū)動程序在請求中斷服務時，它會使用IRQ編號注冊該中斷，中斷發(fā)生時，cpu通常會從中斷控制器中獲取相關信息，然后計算出相應的IRQ編號，然后把該IRQ編號傳遞到相應的驅(qū)動程序中。

　　3. 在驅(qū)動程序中申請中斷

　　Linux中斷子系統(tǒng)向驅(qū)動程序提供了一系列的API，其中的一個用于向系統(tǒng)申請中斷：

　　[cpp] view plain copyint request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,

　　irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,

　　const char *devname, void *dev_id)

　　其中，

　　irq是要申請的IRQ編號，

　　handler是中斷處理服務函數(shù)，該函數(shù)工作在中斷上下文中，如果不需要，可以傳入NULL，但是不可以和thread_fn同時為NULL;

　　thread_fn是中斷線程的回調(diào)函數(shù)，工作在內(nèi)核進程上下文中，如果不需要，可以傳入NULL，但是不可以和handler同時為NULL;

　　irqflags是該中斷的一些標志，可以指定該中斷的電氣類型，是否共享等信息;

　　devname指定該中斷的名稱;

　　dev_id用于共享中斷時的cookie data，通常用于區(qū)分共享中斷具體由哪個設備發(fā)起;

　　關于該API的詳細工作機理我們后面再討論。

　　4. 通用中斷子系統(tǒng)(Generic irq)的軟件抽象

　　在通用中斷子系統(tǒng)(generic irq)出現(xiàn)之前，內(nèi)核使用__do_IRQ處理所有的中斷，這意味著__do_IRQ中要處理各種類型的中斷，這會導致軟件的復雜性增加，層次不分明，而且代碼的可重用性也不好。事實上，到了內(nèi)核版本2.6.38，__do_IRQ這種方式已經(jīng)徹底在內(nèi)核的代碼中消失了。通用中斷子系統(tǒng)的原型最初出現(xiàn)于ARM體系中，一開始內(nèi)核的開發(fā)者們把3種中斷類型區(qū)分出來，他們是：

　　電平觸發(fā)中斷(level type)

　　邊緣觸發(fā)中斷(edge type)

　　簡易的中斷(simple type)

　　后來又針對某些需要回應eoi(end of interrupt)的中斷控制器，加入了fast eoi type，針對smp加入了per cpu type。把這些不同的中斷類型抽象出來后，成為了中斷子系統(tǒng)的流控層。要使所有的體系架構都可以重用這部分的代碼，中斷控制器也被進一步地封裝起來，形成了中斷子系統(tǒng)中的硬件封裝層。我們可以用下面的圖示表示通用中斷子系統(tǒng)的層次結構：

　　圖 4.1 通用中斷子系統(tǒng)的層次結構

　　硬件封裝層 它包含了體系架構相關的所有代碼，包括中斷控制器的抽象封裝，arch相關的中斷初始化，以及各個IRQ的相關數(shù)據(jù)結構的初始化工作，cpu的中斷入口也會在arch相關的代碼中實現(xiàn)。中斷通用邏輯層通過標準的封裝接口(實際上就是struct irq_chip定義的接口)訪問并控制中斷控制器的行為，體系相關的中斷入口函數(shù)在獲取IRQ編號后，通過中斷通用邏輯層提供的標準函數(shù)，把中斷調(diào)用傳遞到中斷流控層中。我們看看irq_chip的部分定義：

　　[cpp] view plain copystruct irq_chip {

　　const char *name;

　　unsigned int (*irq_startup)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_shutdown)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_enable)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_disable)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_ack)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_mask)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_mask_ack)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_unmask)(struct irq_data *data);

　　void (*irq_eoi)(struct irq_data *data);

　　int (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force);

　　int (*irq_retrigger)(struct irq_data *data);

　　int (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type);

　　int (*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);

　　......

　　};

　　看到上面的結構定義，很明顯，它實際上就是對中斷控制器的接口抽象，我們只要對每個中斷控制器實現(xiàn)以上接口(不必全部)，并把它和相應的irq關聯(lián)起來，上層的實現(xiàn)即可通過這些接口訪問中斷控制器。而且，同一個中斷控制器的代碼可以方便地被不同的平臺所重用。

　　中斷流控層 所謂中斷流控是指合理并正確地處理連續(xù)發(fā)生的中斷，比如一個中斷在處理中，同一個中斷再次到達時如何處理，何時應該屏蔽中斷，何時打開中斷，何時回應中斷控制器等一系列的操作。該層實現(xiàn)了與體系和硬件無關的中斷流控處理操作，它針對不同的中斷電氣類型(level，edge......)，實現(xiàn)了對應的標準中斷流控處理函數(shù)，在這些處理函數(shù)中，最終會把中斷控制權傳遞到驅(qū)動程序注冊中斷時傳入的處理函數(shù)或者是中斷線程中。目前內(nèi)核提供了以下幾個主要的中斷流控函數(shù)的實現(xiàn)(只列出部分)：

　　handle_simple_irq();

　　handle_level_irq(); 電平中斷流控處理程序

　　handle_edge_irq(); 邊沿觸發(fā)中斷流控處理程序

　　handle_fasteoi_irq(); 需要eoi的中斷處理器使用的中斷流控處理程序

　　handle_percpu_irq(); 該irq只有單個cpu響應時使用的流控處理程序

　　中斷通用邏輯層 該層實現(xiàn)了對中斷系統(tǒng)幾個重要數(shù)據(jù)的管理，并提供了一系列的輔助管理函數(shù)。同時，該層還實現(xiàn)了中斷線程的實現(xiàn)和管理，共享中斷和嵌套中斷的實現(xiàn)和管理，另外它還提供了一些接口函數(shù)，它們將作為硬件封裝層和中斷流控層以及驅(qū)動程序API層之間的橋梁，例如以下API：

　　generic_handle_irq();

　　irq_to_desc();

　　irq_set_chip();

　　irq_set_chained_handler();

　　驅(qū)動程序API 該部分向驅(qū)動程序提供了一系列的API，用于向系統(tǒng)申請/釋放中斷，打開/關閉中斷，設置中斷類型和中斷喚醒系統(tǒng)的特性等操作。驅(qū)動程序的開發(fā)者通常只會使用到這一層提供的這些API即可完成驅(qū)動程序的開發(fā)工作，其他的細節(jié)都由另外幾個軟件層較好地“隱藏”起來了，驅(qū)動程序開發(fā)者無需再關注底層的實現(xiàn)，這看起來確實是一件美妙的事情，不過我認為，要想寫出好的中斷代碼，還是花點時間了解一下其他幾層的實現(xiàn)吧。其中的一些API如下：

　　enable_irq();

　　disable_irq();

　　disable_irq_nosync();

　　request_threaded_irq();

　　irq_set_affinity();

　　這里不再對每一層做詳細的介紹，我將會在本系列的其他幾篇文章中做深入的探討。

　　5. irq描述結構：struct irq_desc

　　整個通用中斷子系統(tǒng)幾乎都是圍繞著irq_desc結構進行，系統(tǒng)中每一個irq都對應著一個irq_desc結構，所有的irq_desc結構的組織方式有兩種：

　　基于數(shù)組方式 平臺相關板級代碼事先根據(jù)系統(tǒng)中的IRQ數(shù)量，定義常量：NR_IRQS，在kernel/irq/irqdesc.c中使用該常量定義irq_desc結構數(shù)組：

　　[cpp] view plain copystruct irq_desc irq_desc[NR_IRQS] __cacheline_aligned_in_smp = {

　　[0 ... NR_IRQS-1] = {

　　.handle_irq = handle_bad_irq,

　　.depth = 1,

　　.lock = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED(irq_desc->lock),

　　}

　　};

　　基于基數(shù)樹方式 當內(nèi)核的配置項CONFIG_SPARSE_IRQ被選中時，內(nèi)核使用基數(shù)樹(radix tree)來管理irq_desc結構，這一方式可以動態(tài)地分配irq_desc結構，對于那些具備大量IRQ數(shù)量或者IRQ編號不連續(xù)的系統(tǒng)，使用該方式管理irq_desc對內(nèi)存的節(jié)省有好處，而且對那些自帶中斷控制器管理設備自身多個中斷源的外部設備，它們可以在驅(qū)動程序中動態(tài)地申請這些中斷源所對應的irq_desc結構，而不必在系統(tǒng)的編譯階段保留irq_desc結構所需的內(nèi)存。

　　下面我們看一看irq_desc的部分定義：

　　[cpp] view plain copystruct irq_data {

　　unsigned int irq;

　　unsigned long hwirq;

　　unsigned int node;

　　unsigned int state_use_accessors;

　　struct irq_chip *chip;

　　struct irq_domain *domain;

　　void *handler_data;

　　void *chip_data;

　　struct msi_desc *msi_desc;

　　#ifdef CONFIG_SMP

　　cpumask_var_t affinity;

　　#endif

　　};

　　[cpp] view plain copystruct irq_desc {

　　struct irq_data irq_data;

　　unsigned int __percpu *kstat_irqs;

　　irq_flow_handler_t handle_irq;

　　#ifdef CONFIG_IRQ_PREFLOW_FASTEOI

　　irq_preflow_handler_t preflow_handler;

　　#endif

　　struct irqaction *action; /* IRQ action list */

　　unsigned int status_use_accessors;

　　unsigned int depth; /* nested irq disables */

　　unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */

　　unsigned int irq_count; /* For detecting broken IRQs */

　　raw_spinlock_t lock;

　　struct cpumask *percpu_enabled;

　　#ifdef CONFIG_SMP

　　const struct cpumask *affinity_hint;

　　struct irq_affinity_notify *affinity_notify;

　　#ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ

　　cpumask_var_t pending_mask;

　　#endif

　　#endif

　　wait_queue_head_t wait_for_threads;

　　const char *name;

　　} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

　　對于irq_desc中的主要字段做一個解釋：

　　irq_data 這個內(nèi)嵌結構在2.6.37版本引入，之前的內(nèi)核版本的做法是直接把這個結構中的字段直接放置在irq_desc結構體中，然后在調(diào)用硬件封裝層的chip->xxx()回調(diào)中傳入IRQ編號作為參數(shù)，但是底層的函數(shù)經(jīng)常需要訪問->handler_data，->chip_data，->msi_desc等字段，這需要利用irq_to_desc(irq)來獲得irq_desc結構的指針，然后才能訪問上述字段，者帶來了性能的降低，尤其在配置為sparse irq的系統(tǒng)中更是如此，因為這意味著基數(shù)樹的搜索操作。為了解決這一問題，內(nèi)核開發(fā)者把幾個低層函數(shù)需要使用的字段單獨封裝為一個結構，調(diào)用時的參數(shù)則改為傳入該結構的指針。實現(xiàn)同樣的目的，那為什么不直接傳入irq_desc結構指針?因為這會破壞層次的封裝性，我們不希望低層代碼可以看到不應該看到的部分，僅此而已。

　　kstat_irqs 用于irq的一些統(tǒng)計信息，這些統(tǒng)計信息可以從proc文件系統(tǒng)中查詢。

　　action 中斷響應鏈表，當一個irq被觸發(fā)時，內(nèi)核會遍歷該鏈表，調(diào)用action結構中的回調(diào)handler或者激活其中的中斷線程，之所以實現(xiàn)為一個鏈表，是為了實現(xiàn)中斷的共享，多個設備共享同一個irq，這在外圍設備中是普遍存在的。

　　status_use_accessors 記錄該irq的狀態(tài)信息，內(nèi)核提供了一系列irq_settings_xxx的輔助函數(shù)訪問該字段，詳細請查看kernel/irq/settings.h

　　depth 用于管理enable_irq()/disable_irq()這兩個API的嵌套深度管理，每次enable_irq時該值減去1，每次disable_irq時該值加1，只有depth==0時才真正向硬件封裝層發(fā)出關閉irq的調(diào)用，只有depth==1時才會向硬件封裝層發(fā)出打開irq的調(diào)用。disable的嵌套次數(shù)可以比enable的次數(shù)多，此時depth的值大于1，隨著enable的不斷調(diào)用，當depth的值為1時，在向硬件封裝層發(fā)出打開irq的調(diào)用后，depth減去1后，此時depth為0，此時處于一個平衡狀態(tài)，我們只能調(diào)用disable_irq，如果此時enable_irq被調(diào)用，內(nèi)核會報告一個irq失衡的警告，提醒驅(qū)動程序的開發(fā)人員檢查自己的代碼。

　　lock 用于保護irq_desc結構本身的自旋鎖。

　　affinity_hit 用于提示用戶空間，作為優(yōu)化irq和cpu之間的親緣關系的依據(jù)。

　　pending_mask 用于調(diào)整irq在各個cpu之間的平衡。

　　wait_for_threads 用于synchronize_irq()，等待該irq所有線程完成。

　　irq_data結構中的各字段：

　　irq 該結構所對應的IRQ編號。

　　hwirq 硬件irq編號，它不同于上面的irq;

　　node 通常用于hwirq和irq之間的映射操作;

　　state_use_accessors 硬件封裝層需要使用的狀態(tài)信息，不要直接訪問該字段，內(nèi)核定義了一組函數(shù)用于訪問該字段：irqd_xxxx()，參見include/linux/irq.h。

　　chip 指向該irq所屬的中斷控制器的irq_chip結構指針

　　handler_data 每個irq的私有數(shù)據(jù)指針，該字段由硬件封轉(zhuǎn)層使用，例如用作底層硬件的多路復用中斷。

　　chip_data 中斷控制器的私有數(shù)據(jù)，該字段由硬件封轉(zhuǎn)層使用。

　　msi_desc 用于PCIe總線的MSI或MSI-X中斷機制。

　　affinity 記錄該irq與cpu之間的親緣關系，它其實是一個bit-mask，每一個bit代表一個cpu，置位后代表該cpu可能處理該irq。

　　這是通用中斷子系統(tǒng)系列文章的第一篇，這里不會詳細介紹各個軟件層次的實現(xiàn)原理，但是有必要對整個架構做簡要的介紹：

　　系統(tǒng)啟動階段，取決于內(nèi)核的配置，內(nèi)核會通過數(shù)組或基數(shù)樹分配好足夠多的irq_desc結構;

　　根據(jù)不同的體系結構，初始化中斷相關的硬件，尤其是中斷控制器;

　　為每個必要irq的irq_desc結構填充默認的字段，例如irq編號，irq_chip指針，根據(jù)不同的中斷類型配置流控handler;

　　設備驅(qū)動程序在初始化階段，利用request_threaded_irq() api申請中斷服務，兩個重要的參數(shù)是handler和thread_fn;

　　當設備觸發(fā)一個中斷后，cpu會進入事先設定好的中斷入口，它屬于底層體系相關的代碼，它通過中斷控制器獲得irq編號，在對irq_data結構中的某些字段進行處理后，會將控制權傳遞到中斷流控層(通過irq_desc->handle_irq);

　　中斷流控處理代碼在作出必要的流控處理后，通過irq_desc->action鏈表，取出驅(qū)動程序申請中斷時注冊的handler和thread_fn，根據(jù)它們的賦值情況，或者只是調(diào)用handler回調(diào)，或者啟動一個線程執(zhí)行thread_fn，又或者兩者都執(zhí)行;

　　至此，中斷最終由驅(qū)動程序進行了響應和處理。

　　6. 中斷子系統(tǒng)的proc文件接口

　　在/proc目錄下面，有兩個與中斷子系統(tǒng)相關的文件和子目錄，它們是：

　　/proc/interrupts：文件

　　/proc/irq：子目錄

　　讀取interrupts會依次顯示irq編號，每個cpu對該irq的處理次數(shù)，中斷控制器的名字，irq的名字，以及驅(qū)動程序注冊該irq時使用的名字，以下是一個例子：

　　/proc/irq目錄下面會為每個注冊的irq創(chuàng)建一個以irq編號為名字的子目錄，每個子目錄下分別有以下條目：

　　smp_affinity irq和cpu之間的親緣綁定關系;

　　smp_affinity_hint 只讀條目，用于用戶空間做irq平衡只用;

　　spurious 可以獲得該irq被處理和未被處理的次數(shù)的統(tǒng)計信息;

　　handler_name 驅(qū)動程序注冊該irq時傳入的處理程序的名字;

　　根據(jù)irq的不同，以上條目不一定會全部都出現(xiàn)，以下是某個設備的例子：

　　# cd /proc/irq

　　# ls

　　ls

　　332

　　248

　　......

　　......

　　12

　　11

　　default_smp_affinity

　　# ls 332

　　bcmsdh_sdmmc

　　spurious

　　node

　　affinity_hint

　　smp_affinity

　　# cat 332/smp_affinity

　　可見，以上設備是一個使用雙核cpu的設備，因為smp_affinity的值是3，系統(tǒng)默認每個中斷可以由兩個cpu進行處理。

　　本章內(nèi)容結束。接下來的計劃：

　　Linux中斷(interrupt)子系統(tǒng)之二：arch相關的硬件封裝層

　　Linux中斷(interrupt)子系統(tǒng)之三：中斷流控處理層

　　Linux中斷(interrupt)子系統(tǒng)之四：驅(qū)動程序接口層

　　Linux中斷(interrupt)子系統(tǒng)之五：軟件中斷(softirq)