中断——中断处理程序的进入与退出 （基于3.16-rc4）

上一篇博文我们分析了中断描述符表的中断门初始化过程，并且在interrupt数组中初始化过程中，可以看到每个中断处理程序都会跳入common_interrupt中。下面我们分析下common_interrupt汇编片段（arch/x86/kernel/entrt_32.S）。

     .p2align CONFIG_X86_L1_CACHE_SHIFT
 common_interrupt:
     ASM_CLAC
     addl $-0x80,(%esp)    /* Adjust vector into the [-256,-1] range */
     SAVE_ALL
     TRACE_IRQS_OFF
     movl %esp,%eax
     call do_IRQ
     jmp ret_from_intr
 ENDPROC(common_interrupt)
     CFI_ENDPROC 

第5行SAVE_ALL也是一个汇编片段（宏），用来将当前多个寄存器压栈，因为在do_IRQ中可能会用到这些寄存器。第8行调用了do_IRQ函数，接下来我们分析do_IRQ函数（arch/x86/kernel/irq.c）。

 1 __visible unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs)
 2 {
 3     struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
 4
 5     /* high bit used in ret_from_ code  */
 6     unsigned vector = ~regs->orig_ax;
 7     unsigned irq;
 8
 9     irq_enter();
10     exit_idle();
11
12     irq = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);
13
14     if (!handle_irq(irq, regs)) {
15         ack_APIC_irq();
16
17         if (irq != VECTOR_RETRIGGERED) {
18             pr_emerg_ratelimited("%s: %d.%d No irq handler for vector (irq %d)\n",
19                          __func__, smp_processor_id(),
20                          vector, irq);
21         } else {
22             __this_cpu_write(vector_irq[vector], VECTOR_UNDEFINED);
23         }
24     }
25
26     irq_exit();
27
28     set_irq_regs(old_regs);
29     return 1;
30 }

第12行的vector_irq数组保存了中断向量号和中断线号（中断号）的对应关系，利用__this_cpu_read函数获得当前中断向量号所对应的中断号。第14行中handle_irq函数，使用中断号irq作为参数，进入该中断号所对应的中断服务例程中，下面分析下handle_irq函数（arch/x86/kernel/irq_32.c）。

 bool handle_irq(unsigned irq, struct pt_regs *regs)
 {
     struct irq_desc *desc;
     int overflow;

     overflow = check_stack_overflow();

     desc = irq_to_desc(irq);
     if (unlikely(!desc))
         return false;

     if (user_mode_vm(regs) || !execute_on_irq_stack(overflow, desc, irq)) {
         if (unlikely(overflow))
             print_stack_overflow();
         desc->handle_irq(irq, desc);
     }

     return true;
 }

第8行获取到中断号irq所对应的struct irq_desc结构体指针，内核使用struct irq_desc类型结构体数组来存放所有的中断服务例程，中断号irq作为数组元素下标，如下所示（kernel/irq/irqdesc.c）。

 struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS] __cacheline_aligned_in_smp = {
     [ ... NR_IRQS-] = {
         .handle_irq    = handle_bad_irq,
         .depth        = ,
         .lock        = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED(irq_desc->lock),
     }
 };

再来看下struct irq_desc结构体（include/linux/irqdesc.h）。

 struct 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        core_internal_state__do_not_mess_with_it;
     unsigned int        depth;        /* nested irq disables */
     unsigned int        wake_depth;    /* nested wake enables */
     unsigned int        irq_count;    /* For detecting broken IRQs */
     unsigned long        last_unhandled;    /* Aging timer for unhandled count */
     unsigned int        irqs_unhandled;
     atomic_t        threads_handled;
     int            threads_handled_last;
     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
     unsigned long        threads_oneshot;
     atomic_t        threads_active;
     wait_queue_head_t       wait_for_threads;
 #ifdef CONFIG_PROC_FS
     struct proc_dir_entry    *dir;
 #endif
     int            parent_irq;
     struct module        *owner;
     const char        *name;
 } ____cacheline_internodealigned_in_smp;

真正的中断处理程序并不直接放在struct irq_desc结构体中，而是存放在struct irq_desc结构体的action成员所指向的struct irqaction结构体中，第8行。下面看下struct irqaction结构体类型（include/linux/interrupt.h）。

 struct irqaction {
     irq_handler_t        handler;                    
     void            *dev_id;
     void __percpu        *percpu_dev_id;
     struct irqaction    *next;
     irq_handler_t        thread_fn;
     struct task_struct    *thread;
     unsigned int        irq;
     unsigned int        flags;
     unsigned long        thread_flags;
     unsigned long        thread_mask;
     const char        *name;
     struct proc_dir_entry    *dir;
 } ____cacheline_internodealigned_in_smp;

第1行handler中存放着中断服务例程。第5行next中存放下一个该类型结构体指针。因为一个中断号可以对应多个中断服务例程（中断线共享），内核将中断号相同的多个中断服务例程组织成一个链表，挂到以irq号作为下标的irq_desc数组元素中。

回到handle_irq函数中，第8行获取到irq号所对应的struct irq_desc结构体指针desc，接着第15行执行了desc->handle_irq函数，在该函数中执行irq号的所有中断服务例程。

在这里，一定要区别清楚IDT表idt_table和irq_desc数组的区别，idt_table中存放的是中断处理程序，而且这些中断处理程序的开头部分代码都是相同的，都要跳到common_interrupt函数中，进而去寻找中断服务例程。而irq_desc数组中存放的是中断服务例程，中断处理程序最终要通过该数组找到对应的中断服务例程并执行它。我们在编写驱动程序时，很多时候需要编写设备的中断服务例程，我们将中断服务例程存放在申请的struct irqaction结构体当中，并将该结构体挂到irq_desc数组的对应链表中，当中断发生后，系统会自动通过IDT--->GDT--->中断处理程序--->common_interrupt（属于中断处理程序）--->do_IRQ--->handle_irq，然后将irq_desc[NR_IRQS]数组中irq号对应的所有中断服务例程全部执行一遍。

当中断服务例程执行结束后，就会返回文章最开始的common_interrupt函数中，开始执行第9行，跳入到ret_from_intr函数中（arch/x86/kernel/entry_32.S）。

     ALIGN
     RING0_PTREGS_FRAME
 ret_from_exception:
     preempt_stop(CLBR_ANY)
 ret_from_intr:
     GET_THREAD_INFO(%ebp)
 #ifdef CONFIG_VM86
     movl PT_EFLAGS(%esp), %eax    # mix EFLAGS and CS
     movb PT_CS(%esp), %al
     andl $(X86_EFLAGS_VM | SEGMENT_RPL_MASK), %eax
 #else
     /*
      * We can be coming here from child spawned by kernel_thread().
      */
     movl PT_CS(%esp), %eax
     andl $SEGMENT_RPL_MASK, %eax
 #endif
     cmpl $USER_RPL, %eax
     jb resume_kernel        # not returning to v8086 or userspace

 ENTRY(resume_userspace)
     LOCKDEP_SYS_EXIT
      DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)    # make sure we don't miss an interrupt
                     # setting need_resched or sigpending
                     # between sampling and the iret
     TRACE_IRQS_OFF
     movl TI_flags(%ebp), %ecx
     andl $_TIF_WORK_MASK, %ecx    # is there any work to be done on
                     # int/exception return?
     jne work_pending
     jmp restore_all
 END(ret_from_exception)

第15行从当前栈中将cs寄存器的值存入eax中，第16行通过掩码计算，将eax中的DPL字段提取出来再存入eax，第18行比较eax（DPL）和用户空间权限的大小，如果DPL权限大的话，执行19行，恢复到内核态中，否则恢复到用户态，21行。