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《趣谈linux操作系统》小结(二十八) - 字符设备中断

发表于 分类于 Valine：

字符设备中断

前面在学习文件读写的时候，如果是读取设备上的内容， 那么在读取完毕的时候，设备会发送一个中断告知CPU内容读取完毕。同样的，字符设备也是有中断来通知CPU处理事件， 比如鼠标设备就是通过中断来告知系统自己的位置和按键信息，传递给驱动程序。

注册中断处理函数

处理中断，需要一个中断的处理函数。

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static int logibm_open(struct input_dev *dev)
{
  if (request_irq(logibm_irq, logibm_interrupt, 0, "logibm", NULL)) {
    printk(KERN_ERR "logibm.c: Can't allocate irq %d\n", logibm_irq);
    return -EBUSY;
  }
  outb(LOGIBM_ENABLE_IRQ, LOGIBM_CONTROL_PORT);
  return 0;
}

static irqreturn_t logibm_interrupt(int irq, void *dev_id){
 ...
}

鼠标的中断处理函数就是logibm_interrupt。通过request_irq函数注册中断处理函数。

中断处理函数的返回值表示中断处理的结果。

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irqreturn_t (*irq_handler_t)(int irq, void * dev_id);


/**
 * enum irqreturn
 * @IRQ_NONE    interrupt was not from this device or was not handled
 * @IRQ_HANDLED    interrupt was handled by this device
 * @IRQ_WAKE_THREAD  handler requests to wake the handler thread
 */
enum irqreturn {
  IRQ_NONE    = (0 << 0),
  IRQ_HANDLED    = (1 << 0),
  IRQ_WAKE_THREAD    = (1 << 1),
};

这里使用void指针参数， 可以达到同一个函数处理不同设备的中断事件，根据中断号可以区分是什么设备，然后强转为特定设备的结构，这种实现是很普遍的用在通过流程的入口函数的。

这里的返回值有三种：IRQ_NONE 表示不是我的中断，不归我管；IRQ_HANDLED 表示处理完了的中断；IRQ_WAKE_THREAD 表示有一个进程正在等待这个中断，中断处理完了，应该唤醒它。

鼠标的中断处理相对比较简单，没有耗时长的操作，整体也不是很复杂。在中断处理的过程中，这个中断信号是被关闭的， 如果连续来几个相同的中断，后续的中断可能不被即时响应，显得系统很慢。对于其他复杂的中断，可能需要分成关键处理部分和延迟处理部分，在中断处理函数中，仅仅处理关键部分，完成了就将中断信号打开，使得新的中断可以进来，需要比较长时间处理的部分，也即延迟部分，往往通过工作队列等方式慢慢处理。

request_irq函数注册中断处理函数。对于每一个中断，都有一个对中断的描述结构 struct irq_desc。它有一个重要的成员变量是 struct irqaction，用于表示处理这个中断的动作。处理动作可以有多个，通过 irqaction的next串起来。

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struct irq_desc {
......
  struct irqaction  *action;  /* IRQ action list */
......
  struct module    *owner;
  const char    *name;
};


/**
 * struct irqaction - per interrupt action descriptor
 * @handler:  interrupt handler function
 * @name:  name of the device
 * @dev_id:  cookie to identify the device
 * @percpu_dev_id:  cookie to identify the device
 * @next:  pointer to the next irqaction for shared interrupts
 * @irq:  interrupt number
 * @flags:  flags (see IRQF_* above)
 * @thread_fn:  interrupt handler function for threaded interrupts
 * @thread:  thread pointer for threaded interrupts
 * @secondary:  pointer to secondary irqaction (force threading)
 * @thread_flags:  flags related to @thread
 * @thread_mask:  bitmask for keeping track of @thread activity
 * @dir:  pointer to the proc/irq/NN/name entry
 */
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;
  struct irqaction  *secondary;
  unsigned int    irq;
  unsigned int    flags;
  unsigned long    thread_flags;
  unsigned long    thread_mask;
  const char    *name;
  struct proc_dir_entry  *dir;
};

这个desc结构可以通过中断号调用irq_to_desc函数来查找。当然这里的中断号也只是一个内核逻辑的中断编号，不同的设备实际发出的中断号可能不一样，这个有一个中断控制器控制。

request_threaded_irq 函数分配了一个 struct irqaction，并且初始化它，接着调用 __setup_irq。在这个函数里面，如果 struct irq_desc 里面已经有 struct irqaction 了，我们就将新的 struct irqaction 挂在链表的末端。如果设定了以单独的线程运行中断处理函数，setup_irq_thread 就会创建这个内核线程，wake_up_process 会唤醒它。

注册处理函数其实也不复杂，只是查找一下中断描述符，然后建立action链表。

触发中断处理

中断触发有几个阶段

  • 外部设备给中断控制器发送物理中断信号
  • 中断控制器将物理中断信号转换成为中断向量 interrupt vector，发给各个 CPU。
  • 每个 CPU 都会有一个中断向量表，根据 interrupt vector 调用一个 IRQ 处理函数。
  • 在 IRQ 处理函数中，将 interrupt vector 转化为抽象中断层的中断信号 irq，调用中断信号 irq 对应的中断描述结构里面的 irq_handler_t。

CPU 能够处理的中断总共 256 个，用宏 NR_VECTOR 或者 FIRST_SYSTEM_VECTOR 表示。

CPU 硬件要求每一个 CPU 都有一个中断向量表，通过 load_idt 加载，里面记录着每一个中断对应的处理方法，这个中断向量表定义在文件 arch/x86/kernel/traps.c 中。

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gate_desc idt_table[NR_VECTORS] __page_aligned_bss;

0-31是系统异常的中断，在内核初始化的时候 trap_init函数设置了中断函数。在trap_init还设置了127系统调用的中断处理函数。同时给used_vectors全局变量对应的位置位。其他设备的中断初始化调用的是init_IRQ函数。

任何硬件中断向量处理最终都会调用到do_IRQ函数。do_IRQ就通过每个CPU对应的中断向量表获取最终全局的中断desc，然后调用对应的处理函数进行处理。

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