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Linux内核学习之中断

[中断概述]


中断本质上是一种特殊的电信号,由硬件设备发向处理器。异常和中断的不同是异常在产生时必须考虑与处理器时钟同步。实际上异常也常常称为同步中断。比如在除0或者缺页时,必须靠内核处理的时候,处理器就会产生一个异常。


[中断处理机制的实现]




                                                        中断从硬件到内核的路由


设备产生中断,通过总线把电信号发送给中断控制器。如果中断线是激活的(它们允许被屏蔽的),那么中断控制器就会把中断发往处理器。在大多数体系结构中,这个工作就是通过电信号给处理器的特定管脚发送一个信号。除非在处理器上禁止该中断,否则处理器会立即停止它正在做的事,关闭中断系统,然后跳到内存中预定的位置开始执行那里的代码。这个预定义的位置是由内核设置的,是中断处理程序的入口点。


[中断处理程序]


在响应一个特定中断的时候,内核会执行一个函数,该函数叫做中断处理程序(interrupt handler)也叫做中断服务例程(interrupt service routine)。


中断处理程序就是一个普普通通的C函数,但是它与其他内核函数的真正区别在于,中断处理程序时被内核调用来响应中断的,它运行于中断上下文中


注册中断处理程序:


static inline int __must_check


request_irq(unsigned int irq, irq_handler_thandler, unsigned long flags,


             const char *name, void *dev)


irq:分配的中断号


handler:中断处理函数程序的指针 typedefirqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);


flags:中断类型


name:与中断相关的设备的名字;


dev:用于共享中断,因为可能在一条中断线上有几个设备,dev用来区分是哪个设备产生的中断


中断上下文和进程上下文对比




























 


中断上下文


进程上下文


定义


当执行一个中断处理程序时,内核处于中断上下文中


当程序调用了系统调用或者触发了某个异常,它就陷入了内核空间,此时,内核代表进程执行并处于进程上下文中。


睡眠情况


不可睡眠,不能被调度,也就是说中断上下文中不能使用有可能睡眠的函数


可睡眠,可调度


同步机制


自旋锁


都可


 


 


 


 


 


 


[中断上半部和下半部]


首先问自己一个问题,为什么要把中断分为上半部和下半部,难道一个就放在中断处理程序中不好吗?答案是否定的


1、中断可以随时的打断其他正在执行的程序,如果被打断的代码对系统很重要,那么此时中断处理程序的执行时间应该是越短越好;


2、中断处理程序正在执行时,会屏蔽同条中断线上的中断请求;而更严重的是,如果设置了IRQF_DISABLED,那么该中断服务程序执行时会屏蔽所有其他的中断请求。那么此时应该让中断处理程序执行的越快越好。




上半部:一个快速、异步而简单的处理程序专门来负责对硬件的中断请求做出快速响应,与此同时也要完成那么些对时间要求很严格的操作;


下半部:那么对时间要求相对宽松,其他的剩余工作会在稍后的任意时间执行。


下面是对上半部和下半部的工作划分:


如果一个任务对时间非常敏感,将其放在中断处理程序中执行;


如果一个任务中和硬件相关,将其放在中断处理程序中执行;


如果一个任务要保证不被其他中断(特别是相同的中断)打断,将其放在中断处理程序执行;


其他所有任务,都应考虑放在下半部执行。


[下半部机制]


软中断


软中断保留给系统中对时间要求最严格以及最重要的下半部使用,目前只有两个子系统(网络和scsi)直接使用软中断。


Tasklet


Tasklet是利用软中断实现的一种下半部机制。在选择使用软中断还是tasklet时,建议使用tasklet,除了网络和SCSI情况。相比软中断,tasklet的接口更简单,锁保护要求较低。


工作队列


工作队列是可以把工作推后交由一个内核线程去执行,下半部总是会在进程上下文中执行,允许重新调度和睡眠。


三种下半部机制对比




















下半部                                              


上下文                                             


顺序执行保障                                                 


软中断


中断


没有


Tasklet


中断


同类型不能同时执行


工作队列


进程


没有(和进程上下文一样被调度)

[概述]


工作队列是一种将工作推后执行的的形式,工作队列可以把工作推后,交由一个内核线程去执行,占有进程上下文的所有优势,允许重新调度和睡眠。


[工作队列的实现]


工作队列子系统是一个用于创建内核线程的接口,通过它创建的进程负责执行由内核其他部分排到队列里的任务。它创建的这些内核线程称作工作者线程(worker thread)。工作队列子系统提供了一个缺省的工作者线程来处理推后的工作,所以我们大多数情况下,没必要自己去创建工作者线程,使用默认的就OK。


Linux kernel development 3 上对工作队列的实现原理讲的很清楚了,这里就不再详述。具体来看一个实例


[实例]


  1. static struct input_dev *button_dev;  

  2. static struct work_struct button_wq;  


在做实际的驱动开发的时候,不推荐使用全局变量,因为全局变量是造成竞争条件的主要原因。


[中断处理程序]


  1. static irqreturn_t button_interrupt(intirq, void *p)  

  2. {  

  3.          schedule_work(&button_wq);  

  4.          returnIRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);  

  5. }  

schedule_work(&work)函数用来调度work,把work提交给缺省的events工作者线程(插入工作任务链表中)。work马上会被调度,一旦其所在的处理器上的工作者线程被唤醒,唤醒的工作者队列会遍历整个工作任务链表,如果有工作,它就会被执行,否则继续睡眠。


Schedule_work_delay(&work, delay) 和schedule_work函数的作用相同,唯一区别就是延迟delay时间后才会执行。


[工作队列处理函数]


  1. void work_handler(void *data)  

  2. {  

  3.          /*get pin value <down 0, up 1> */  

  4.          intval = s3c2410_gpio_getpin(S3C2410_GPG(0));  

  5.    

  6.          input_report_key(button_dev,KEY_1, val);  

  7.          input_sync(button_dev);  

  8. }  


完成按键信息的获取和上报工作。


[模块初始化函数]


  1. static int __init button_init(void)  

  2. {  

  3.          interr;  

  4.    

  5.          if(request_irq(BUTTON_IRQ, button_interrupt,   

  6.                                                IRQ_TYPE_EDGE_BOTH,DEV_NAME, NULL)) {  

  7.                    printk(KERN_ERR“cannotallocate irq”);  

  8.                    return– EBUSY;  

  9.          }  

  10.           

  11.          ……  

  12.    

  13.          INIT_WORK(&button_wq,work_handler);  

  14.    

  15.          printk(“initialized\n”);  

  16.          return0;  

  17. }  


初始化函数主要完成了两个工作:


1、  申请中断


2、  创建一个推后的工作button_wq,有两种方法:


动态创建:


INIT_WORK(struct work_struct work, void (*func)(void *)), 在新内核里,INIT_WORK已经发生了变化,少了第三个参数。可以参考http://www.linuxidc.com/Linux/2011-11/47658.htm


静态创建:


DECLARE_WORK(name,func) 创建一个名为name,处理函数为func的work_struct结构体。


不管是动态还是静态,都是填充work struct 结构体。


有兴趣可以去看内核里gpio_keys.c的实现代码,一个典型的work queue的实现例子。

[概述]


Tasklet是软中断的特殊实现Tasklet通常是下半部处理的优选机制,它在性能和易用性之间有着很好的平衡。较softirq,tasklet不需要考虑SMP下的并发问题,而又比workqueue有着更好的性能。


不同类型的tasklet可以在不同的处理器上同时执行,但同类型的tasklet不能同时执行。这就避免了并发问题。


ksoftirqd内核线程有着类似工作者线程一样的职责,它会周期的遍历软中断的向量列表,如果发现哪个软中断向量挂起了(pending),就执行相应的处理函数,


关于tasklet的实现同样可以拜读LKD3,这书真的很经典。


[实例]


  1. static struct input_dev *button_dev;  

  2. static struct tasklet_structbutton_tasklet;  


在做实际的驱动开发的时候,不推荐使用全局变量,因为全局变量是造成竞争条件的主要原因。


[中断处理程序]


  1. static irqreturn_t button_interrupt(intirq, void *p)  

  2. {  

  3.          tasklet_schedule(&button_tasklet);  

  4.          returnIRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);  

  5. }  


调用tasklet_schedule函数,把button_tasklet加入到tasklet_vec(软中断向量)链表中,并触发软中断,这样在下一次调用do_softirq函数时就会执行button_tasklet。Button_tasklet会在尽短的时间内执行。


[tasklet处理函数]


  1. void tasklet_handler(unsigned long data)  

  2. {  

  3.          /*get pin value <down 0, up 1> */  

  4.          intval = s3c2410_gpio_getpin(S3C2410_GPG(0));  

  5.    

  6.          input_report_key(button_dev,KEY_1, val);  

  7.          input_sync(button_dev);  

  8. }  


因为是靠软中断实现的,所以tasklet不能睡眠,这意味着不能在tasklet中使用信号量和其他可能发生阻塞的函数。但是tasklet运行时允许响应中断。


  1. static int __init button_init(void)  

  2. {  

  3.          interr;  

  4.    

  5.          if(request_irq(BUTTON_IRQ, button_interrupt,   

  6.                      IRQ_TYPE_EDGE_BOTH,DEV_NAME, (void *)button_dev)) {  

  7.                    printk(KERN_ERR“cannotallocate irq”);  

  8.                    return– EBUSY;  

  9.          }  

  10.    

  11.          ……  

  12.    

  13.          tasklet_init(&button_tasklet,tasklet_handler, 0);  

  14.    

  15.          debug(“initialized\n”);  

  16.          return0;  

  17. }  


动态初始化tasklet:


void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,void (*func)(unsigned long), unsigned long data)


t:tasklet_struct结构体指针


func:tasklet处理函数指针


data:func的参数


静态初始化tasklet:


#define DECLARE_TASKLET(name, func, data) \


struct tasklet_struct name = { NULL, 0,ATOMIC_INIT(0), func, data }

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