Professional Linux Kernel Architecture 笔记 —— 中断处理（Part 2）【转】

1.5 Interrupt Flow Handling （中断流处理）

前面提到了
IRQ 子系统的三个抽象层： High-level interrupt Service routine, Interrupt Flow
Handling, Chip-level hardware Encapsulation. 本节描述 Interrupt Flow
Handling 的过程，即，处理边沿触发、水平触发等等的过程。

1.5.1 设置控制硬件 (Setting Controller Hardware)

内核提供了一些标准函数用于注册 irq_chips 和设置 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:
该函数用于将一个 IRQ Chip (irq_chip 的实例) 与一个特定的中断相关联。除了从 irq_desc 中选择合适的元素外，该函数还负责设置 chip 中的指针，并且设置默认的中断处理函数。
set_irq_handler 和 set_irq_chained_handler:
为指定的 IRQ 设置 flow handler function，两者在内部均使用 __set_irq_handler ， __set_irq_handler 进行一些检查，并设置 irq_desc[irq]->handle_irq.
set_chip_and_handler:
一个辅助函数，使用它可以避免逐个的使用前面提到的三个函数。

1.5.2 Flow Handling

前面提到，中断有不同的触发方式： edge-trggering 或者 level-triggering，内核对他们的处理方式有所不同。但相同的是，这两个处理中，都需要在 flow-handling 完成后负责调用 high-level 的中断处理函数。

边沿触发中断 (Edge-Triggered Interrupts)

边沿触发方式在现代的硬件中是最常见的一种方式，该方式的默认处理函数为 handle_edge_irq .

边沿触发中断，在处理时候一般无需禁用该中断源。这样，在多处理器系统上，可能会出现这种情况：
一个处理器上正在处理这个Flow-Handnle，此时在这个处理过程尚未完成的时候，又产生了另外一个边沿触发的中断。对于这种情况，
handler_edge_irq 的处理方法是：先更新这个 irq 的 irq_desc 上的状态为 PENDING，然后暂时将这个中断
mask 掉（这里的 mask 是通过 irq_chip 结构提供的函数在硬件上操作，而不是内核中软件意义上的 mask）；而前面负责处理这个
irq 的 CPU ，在处理完了一个 IRQ 后，检查这个 irq_desc 的状态，如果为 PENDING，
则表示在前面的处理过程中又有新的中断信号产生了，需要继续处理，直到这个 irq_desc 的状态不是 PENDING 为止。

在 Flow-Handle 的每个循环的结尾， hander_edge_irq 都会以 iqd_desc->action 为参数来通过 handle_IRQ_event 调用 High-level 处理函数。

整体流程如下图所示：

handle_edge_irq 流程
水平触发中断 (Level-Triggered Interrupts)
Level-Triggered Interrups 由函数 handle_level_irq 负责处理，他的流程比 handle_edge_irq 要简单一些，如下图所示：

handle_level_irq 流程

需要注意的是，
Level-Triggered Interrups 在处理的时候必须要将其 Mask 掉，这个 Mask 的过程通过函数
mask_ack_irq 来完成。 maks_ack_irq 不但将 irq_desc 的状态设置为 mask ，同时还调用了
chip->mask_ack 来设置硬件的 mask ，并向硬件发送 ACK 。对于多核 CPU 所潜在的竞争冒险¹，可以通过检测 irq_desc 的状态来避免 —— 一旦检测到 irq_desc->status 中包含了 IRQ_INPROGRESS ，则表明该 irq 正在被处理，直接退出即可。

同边沿触发的处理一样，这里也通过 handle_IRQ_event 来调用了 High-level 的处理函数。
其他类型的中断
除了上述两种类型的的中断之外，还有一些其他不常用的中断，内核为他们提供了默认的 handler 。
- handle_fasteoi_irq
  
  很多现代的
  IRQ 硬件仅需要做一点点流处理工作（Flow-Handle），对他们来讲，在 IRQ 处理完毕之后，只需要调用一个
  Chip-specific 的函数： chip->eoi 就可以了，函数 handle_fasteoi_irq 负责这个工作。
- handle_simple_irq
  一些实在是很简单的中断根本就不需要流控制，内核为他们提供了 handle_simple_irq 。
- handle_percpu_irq
  有些 IRQ 只能发上在 SMP 上的某个指定的 CPU 上，这种 IRQ 被成为 Per-CPU IRQ ，内核提供了 handle_percpu_irq 来处理他们。该函数负责在中断处理完成之后向硬件汇报中断的接收，并调用 EOI 。

1.6 IRQ 的初始化及预留

1.6.1 IRQ 的注册

函数 request_irq 用于注册 IRQ ，其定义为：

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);
}

可见，该函数是 request_threaded_irq 的一个 wrapper ，并将 request_threaded_irq 的参数 thread_fn 设置为空。 request_threaded_irq 的流程图如下图所示：

request_threaded_irq

该函数首先从内核中获取了这个 irq 对应的 irq_desc，然后创建 irqaction，设置这个 action 的 handler, flags, name, 和 dev_id 。随后，将其余的工作交给了函数 __setup_irq，由 __setup_irq 完后后续的工作。

__setup_irq 的主要作用如下：

设置内核熵池

前面提到过，内核通过一系列的事件的相关信息来生成随机数（/dev/random），这里，如果传入的 flags 中声明了 IRQF_SAMPLE_RANDOM ，则调用 rand_initialize_irq 将 IRQ 添加到熵池所需的相关数据结构中。
添加 irqaction
前面提到，内核有一个全局的
irq_desc Array，从这个 Array 中可以根据 IRQ Number 来找到相应的 irq_desc ；此外，每个
irq_desc 中有一个 irqaction list ，这个 list 中记录了该 irq 中断发生时候需要调用的每一个 irqaction
。 __setup_irq 需要将传入的 irqaction 添加到这个 list 的队尾。
其他的 irq flags 检查
根据传入参数的flags，做一些别的检查和设置，没具体细看。
注册 proc 文件系统
__setup_irq 的最后，调用 register_irq_proc ，在 proc/irq 中为相应的 IRQ 创建了节点。然后又调用 register_handler_proc ，生成/proc/irq/NUM/NAME 。从而使用户可以从 procfs 中得到该 IRQ 的信息。

1.6.2 释放 IRQ

在释放
IRQ 的时候，仅提供一个 IRQ Number 不行的，还必须提供这个 IRQ 对应的 dev_id. 该过程由函数 free_irq
来完成， free_irq 是 __free_irq 的一个包装，调用 __free_irq 来完成 irqaction 的注销。

__free_irq
根据传入的 dev_id 从这个 IRQ 的所有 irqaction 上找到设备对应的那个 irqaction ，并将其从 IRQ 的
irqaction List 中移走；如果移走的这个 handler 是这个 IRQ Line 上唯一的一个，那么还需要将这个 IRQ
Line Diable。随后，清理 proc 文件系统中的结点，并将 action 这个结构返回给 free_irq, 由 free_irq
负责将数据结构 free 。

1.6.3 中断的注册 (Registering Interrupts, 指系统中断)

前面提到的
irq_request 仅用于外设的 IRQ 申请，而对于 CPU 本身已经软件上的中断，处理的流程与此不同。
诸如软件发出的中断、异常以及陷阱，这些东西的注册是在系统初始化的时候执行的，并且初始化完成之后，在整个系统的活动周期内不会发生改变。
由于系统的中断是不能共享的（也没有必要共享，资源多得很），内核所需要做的，仅仅是将中断号和处理函数相关联。

一般来讲，内核对于这种系统中断的响应有如下两种：

当错误发生的时候，向当前用户进程发送信号：

例如，在 IA-32 和 AMD64 系统，当一个数字被0除的时候，会产生中断 0 ，这个中断会调用处理函数 divide_error ，并向用户进程发送信号 —— SIGPFE 。
错误发生后，内核自动更正错误：
例如 IA-32 系统下，中断 14 被用来作为 page fault （内存却页或者页面错误）的信号，当这个错误发生的时候，内核可以自动对该错误进行纠正。

Footnotes:

¹
竞争冒险和前面提到的边沿触发中断的嵌套不同，由于处理 Level-Triggered Interrups 时候，中断源那个硬件已经被暂时
Mask 掉，因此在一个水平触发中断的处理期间，同一个设备不会产生另外一个水平触发中断。因此，竞争冒险指的是多个 CPU 同时选定要处理同一个
irq 。