基于 Linux 2.6的 硬中断 / 软中断的原理以及实现

Author:zhangskd @ csdn blog

概述

从本质上来讲,中断是一种电信号,当设备有某种事件发生时,它就会产生中断,通过总线把电信号发送给中断控制器。

如果中断的线是激活的,中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事,

跳到中断处理程序的入口点,进行中断处理。

有关概念

(1) 硬中断

由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。比如当网卡收到数据包的时候,就会发出一个中断。我们通常所说的中断指的是硬中断(hardirq)。

(2) 软中断

为了满足实时系统的要求,中断处理应该是越快越好。linux为了实现这个特点,当中断发生的时候,硬中断处理那些短时间就可以完成的工作,而将那些处理事件比较长的工作,放到中断之后来完成,也就是软中断(softirq)来完成。

(3) 中断嵌套

Linux下硬中断是可以嵌套的,但是没有优先级的概念,也就是说任何一个新的中断都可以打断正在执行的中断,但同种中断除外。软中断不能嵌套,但相同类型的软中断可以在不同CPU上并行执行。

(4) 软中断指令

int是软中断指令。

中断向量表是中断号和中断处理函数地址的对应表。

int n - 触发软中断n。相应的中断处理函数的地址为:中断向量表地址 + 4 * n。

(5)硬中断和软中断的区别

软中断是执行中断指令产生的,而硬中断是由外设引发的。

硬中断的中断号是由中断控制器提供的,软中断的中断号由指令直接指出,无需使用中断控制器。

硬中断是可屏蔽的,软中断不可屏蔽。

硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务,这样程序执行时才不会等待较长时间,称为上半部。

软中断处理硬中断未完成的工作,是一种推后执行的机制,属于下半部。

开关函数

(1) 硬中断的开关

简单禁止和激活当前处理器上的本地中断:

local_irq_disable();
local_irq_enable();

保存本地中断系统状态下的禁止和激活:

unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
local_irq_restore(flags);

(2) 软中断的开关

禁止下半部,如softirq、tasklet和workqueue等:

local_bh_disable();
local_bh_enable();

需要注意的是,禁止下半部时仍然可以被硬中断抢占。

(3) 判断中断状态

#define in_interrupt() (irq_count()) // 是否处于中断状态(硬中断或软中断)
#define in_irq() (hardirq_count()) // 是否处于硬中断
#define in_softirq() (softirq_count()) // 是否处于软中断

硬中断 有关函数

(1) 注册中断处理函数

注册中断处理函数:

/**
 * irq: 要分配的中断号
 * handler: 要注册的中断处理函数
 * flags: 标志(一般为0)
 * name: 设备名(dev->name)
 * dev: 设备(struct net_device *dev),作为中断处理函数的参数
 * 成功返回0
 */  

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
    const char *name, void *dev);

中断处理函数本身:

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *);  

/**
 * enum irqreturn
 * @IRQ_NONE: interrupt was not from this device
 * @IRQ_HANDLED: interrupt was handled by this device
 * @IRQ_WAKE_THREAD: handler requests to wake the handler thread
 */
enum irqreturn {
    IRQ_NONE,
    IRQ_HANDLED,
    IRQ_WAKE_THREAD,
};
typedef enum irqreturn irqreturn_t;
#define IRQ_RETVAL(x) ((x) != IRQ_NONE)

(2) 注销中断处理函数

/**
 * free_irq - free an interrupt allocated with request_irq
 * @irq: Interrupt line to free
 * @dev_id: Device identity to free
 *
 * Remove an interrupt handler. The handler is removed and if the
 * interrupt line is no longer in use by any driver it is disabled.
 * On a shared IRQ the caller must ensure the interrupt is disabled
 * on the card it drives before calling this function. The function does
 * not return until any executing interrupts for this IRQ have completed.
 * This function must not be called from interrupt context.
 */  

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

软中断 有关函数

(1) 定义

软中断是一组静态定义的下半部接口,可以在所有处理器上同时执行,即使两个类型相同也可以。

但一个软中断不会抢占另一个软中断,唯一可以抢占软中断的是硬中断。

软中断由softirq_action结构体表示:

struct softirq_action {
    void (*action) (struct softirq_action *); /* 软中断的处理函数 */
};

目前已注册的软中断有10种,定义为一个全局数组:

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];  

enum {
    HI_SOFTIRQ = 0, /* 优先级高的tasklets */
    TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器的下半部 */
    NET_TX_SOFTIRQ, /* 发送网络数据包 */
    NET_RX_SOFTIRQ, /* 接收网络数据包 */
    BLOCK_SOFTIRQ, /* BLOCK装置 */
    BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
    TASKLET_SOFTIRQ, /* 正常优先级的tasklets */
    SCHED_SOFTIRQ, /* 调度程序 */
    HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高分辨率定时器 */
    RCU_SOFTIRQ, /* RCU锁定 */
    NR_SOFTIRQS /* 10 */
};

(2) 注册软中断处理函数

/**
 * @nr: 软中断的索引号
 * @action: 软中断的处理函数
 */  

void open_softirq(int nr, void (*action) (struct softirq_action *))
{
    softirq_vec[nr].action = action;
}
例如:
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

(3) 触发软中断

调用raise_softirq()来触发软中断。

void raise_softirq(unsigned int nr)
{
    unsigned long flags;
    local_irq_save(flags);
    raise_softirq_irqoff(nr);
    local_irq_restore(flags);
}  

/* This function must run with irqs disabled */
inline void rasie_softirq_irqsoff(unsigned int nr)
{
    __raise_softirq_irqoff(nr);  

    /* If we're in an interrupt or softirq, we're done
     * (this also catches softirq-disabled code). We will
     * actually run the softirq once we return from the irq
     * or softirq.
     * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we
     * schedule the softirq soon.
     */
    if (! in_interrupt()) /* 如果不处于硬中断或软中断 */
        wakeup_softirqd(void); /* 唤醒ksoftirqd/n进程 */
}

Percpu变量irq_cpustat_t中的__softirq_pending是等待处理的软中断的位图,通过设置此变量

即可告诉内核该执行哪些软中断。

static inline void __rasie_softirq_irqoff(unsigned int nr)
{
    trace_softirq_raise(nr);
    or_softirq_pending(1UL << nr);
}  

typedef struct {
    unsigned int __softirq_pending;
    unsigned int __nmi_count; /* arch dependent */
} irq_cpustat_t;  

irq_cpustat_t irq_stat[];
#define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)
#define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))
#define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)

唤醒ksoftirqd内核线程处理软中断。

static void wakeup_softirqd(void)
{
    /* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */
    struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);  

    if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
        wake_up_process(tsk);
}

在下列地方,待处理的软中断会被检查和执行:

1. 从一个硬件中断代码处返回时
2. 在ksoftirqd内核线程中
3. 在那些显示检查和执行待处理的软中断的代码中,如网络子系统中

而不管是用什么方法唤起,软中断都要在do_softirq()中执行。如果有待处理的软中断,

do_softirq()会循环遍历每一个,调用它们的相应的处理程序。

在中断处理程序中触发软中断是最常见的形式。中断处理程序执行硬件设备的相关操作,

然后触发相应的软中断,最后退出。内核在执行完中断处理程序以后,马上就会调用

do_softirq(),于是软中断开始执行中断处理程序完成剩余的任务。

下面来看下do_softirq()的具体实现。

asmlinkage void do_softirq(void)
{
    __u32 pending;
    unsigned long flags;  

    /* 如果当前已处于硬中断或软中断中,直接返回 */
    if (in_interrupt())
        return;  

    local_irq_save(flags);
    pending = local_softirq_pending();
    if (pending) /* 如果有激活的软中断 */
        __do_softirq(); /* 处理函数 */
    local_irq_restore(flags);
}  

/* We restart softirq processing MAX_SOFTIRQ_RESTART times,
 * and we fall back to softirqd after that.
 * This number has been established via experimentation.
 * The two things to balance is latency against fairness - we want
 * to handle softirqs as soon as possible, but they should not be
 * able to lock up the box.
 */
asmlinkage void __do_softirq(void)
{
    struct softirq_action *h;
    __u32 pending;
    /* 本函数能重复触发执行的次数,防止占用过多的cpu时间 */
    int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
    int cpu;  

    pending = local_softirq_pending(); /* 激活的软中断位图 */
    account_system_vtime(current);
    /* 本地禁止当前的软中断 */
    __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0), SOFTIRQ_OFFSET);
    lockdep_softirq_enter(); /* current->softirq_context++ */
    cpu = smp_processor_id(); /* 当前cpu编号 */  

restart:
    /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
    set_softirq_pending(0); /* 重置位图 */
    local_irq_enable();
    h = softirq_vec;
    do {
        if (pending & 1) {
            unsigned int vec_nr = h - softirq_vec; /* 软中断索引 */
            int prev_count = preempt_count();
            kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);  

            trace_softirq_entry(vec_nr);
            h->action(h); /* 调用软中断的处理函数 */
            trace_softirq_exit(vec_nr);  

            if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
                printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p" "with preempt_count %08x,"
                    "exited with %08x?\n", vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action, prev_count,
                    preempt_count());
            }
            rcu_bh_qs(cpu);
        }
        h++;
        pending >>= 1;
    } while(pending);  

    local_irq_disable();
    pending = local_softirq_pending();
    if (pending & --max_restart) /* 重复触发 */
        goto restart;  

    /* 如果重复触发了10次了,接下来唤醒ksoftirqd/n内核线程来处理 */
    if (pending)
        wakeup_softirqd();   

    lockdep_softirq_exit();
    account_system_vtime(current);
    __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
}

(4) ksoftirqd内核线程

内核不会立即处理重新触发的软中断。

当大量软中断出现的时候,内核会唤醒一组内核线程来处理。

这些线程的优先级最低(nice值为19),这能避免它们跟其它重要的任务抢夺资源。

但它们最终肯定会被执行,所以这个折中的方案能够保证在软中断很多时用户程序不会

因为得不到处理时间而处于饥饿状态,同时也保证过量的软中断最终会得到处理。

每个处理器都有一个这样的线程,名字为ksoftirqd/n,n为处理器的编号。

static int run_ksoftirqd(void *__bind_cpu)
{
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    current->flags |= PF_KSOFTIRQD; /* I am ksoftirqd */  

    while(! kthread_should_stop()) {
        preempt_disable();  

        if (! local_softirq_pending()) { /* 如果没有要处理的软中断 */
            preempt_enable_no_resched();
            schedule();
            preempt_disable():
        }  

        __set_current_state(TASK_RUNNING);  

        while(local_softirq_pending()) {
            /* Preempt disable stops cpu going offline.
             * If already offline, we'll be on wrong CPU: don't process.
             */
             if (cpu_is_offline(long)__bind_cpu))/* 被要求释放cpu */
                 goto wait_to_die;  

            do_softirq(); /* 软中断的统一处理函数 */  

            preempt_enable_no_resched();
            cond_resched();
            preempt_disable();
            rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);
        }  

        preempt_enable();
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    }  

    __set_current_state(TASK_RUNNING);
    return 0;  

wait_to_die:
    preempt_enable();
    /* Wait for kthread_stop */
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    while(! kthread_should_stop()) {
        schedule();
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    }  

    __set_current_state(TASK_RUNNING);
    return 0;
}