Linux 中断处理原理分析

Linux中断下半部处理有三种方式:软中断、tasklet、工作队列。

曾经有人问我为什么要分这几种,该怎么用。当时用书上的东西蒙混了过去,但是自己明白自己实际上是不懂的。最近有时间了,于是试着整理一下linux的中断处理机制,目的是起码从原理上能够说得通。

一、最简单的中断机制

最简单的中断机制就是像芯片手册上讲的那样,在中断向量表中填入跳转到对应处理函数的指令,然后在处理函数中实现需要的功能。类似下图:

linux 中断

这种方式在原来的单片机课程中常常用到,一些简单的单片机系统也是这样用。

它的好处很明显,简单,直接。

二、下半部

中断处理函数所作的第一件事情是什么?答案是屏蔽中断(或者是什么都不做,因为常常是如果不清除IF位,就等于屏蔽中断了),当然只屏蔽同一种中断。之所以要屏蔽中断,是因为新的中断会再次调用中断处理函数,导致原来中断处理现场的破坏。即,破坏了 interrupt context

随着系统的不断复杂,中断处理函数要做的事情也越来越多,多到都来不及接收新的中断了。于是发生了中断丢失,这显然不行,于是产生了新的机制:分离中断接收与中断处理过程。中断接收在屏蔽中断的情况下完成;中断处理在时能中断的情况下完成,这部分被称为中断下半部。

linux 中断2

从上图中看,只看int0的处理。Func0为中断接收函数。中断只能简单的触发func0,而func0则能做更多的事情,它与funcA之间可以使用队列等缓存机制。当又有中断发生时,func0被触发,然后发送一个中断请求到缓存队列,然后让funcA去处理。

由于func0做的事情是很简单的,所以不会影响int0的再次接收。而且在func0返回时就会使能int0,因此funcA执行时间再长也不会影响int0的接收。

三、软中断

下面看看linux中断处理。作为一个操作系统显然不能任由每个中断都各自为政,统一管理是必须的。

我们不可中断部分的共同部分放在函数do_IRQ中,需要添加中断处理函数时,通过request_irq实现。下半部放在do_softirq中,也就是软中断,通过open_softirq添加对应的处理函数。

linux 中断3

 

四、tasklet

旧事物跟不上历史的发展时,总会有新事物出现。

随着中断数的不停增加,软中断不够用了,于是下半部又做了进化。

软中断用轮询的方式处理。假如正好是最后一种中断,则必须循环完所有的中断类型,才能最终执行对应的处理函数。显然当年开发人员为了保证轮询的效率,于是限制中断个数为32个。

为了提高中断处理数量,顺道改进处理效率,于是产生了tasklet机制。

Tasklet采用无差别的队列机制,有中断时才执行,免去了循环查表之苦。

linux 中断3

总结下tasklet的优点:

1)无类型数量限制;

2)效率高,无需循环查表;

3)支持SMP机制;

五、工作队列

前面的机制不论如何折腾,有一点是不会变的。它们都在中断上下文中。什么意思?说明它们不可挂起。而且由于是串行执行,因此只要有一个处理时间较长,则会导致其他中断响应的延迟。为了完成这些不可能完成的任务,于是出现了工作队列。工作队列说白了就是一组内核线程,作为中断守护线程来使用。多个中断可以放在一个线程中,也可以每个中断分配一个线程。

工作队列对线程作了封装,使用起来更方便。

因为工作队列是线程,所以我们可以使用所有可以在线程中使用的方法。

linux 中断4

Tasklet其实也不一定是在中断上下文中执行,它也有可能在线程中执行。

假如中断数量很多,而且这些中断都是自启动型的(中断处理函数会导致新的中断产生),则有可能cpu一直在这里执行中断处理函数,会导致用户进程永远得不到调度时间。

为了避免这种情况,linux发现中断数量过多时,会把多余的中断处理放到一个单独的线程中去做,就是ksoftirqd线程。这样又保证了中断不多时的响应速度,又保证了中断过多时不会把用户进程饿死。

问题是我们不能保证我们的tasklet或软中断处理函数一定会在线程中执行,所以还是不能使用进程才能用的一些方法,如放弃调度、长延时等。

六、使用方式总结

Request_irq挂的中断函数要尽量简单,只做必须在屏蔽中断情况下要做的事情。

中断的其他部分都在下半部中完成。

软中断的使用原则很简单,永远不用。它甚至都不算是一种正是的中断处理机制,而只是tasklet的实现基础。

工作队列也要少用,如果不是必须要用到线程才能用的某些机制,就不要使用工作队列。其实对于中断来说,只是对中断进行简单的处理,大部分工作是在驱动程序中完成的。所以有什么必要非使用工作队列呢?

除了上述情况,就要使用tasklet

即使是下半部,也只是作必须在中断中要做的事情,如保存数据等,其他都交给驱动程序去做。

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