了解Linux中斷處理原理

Linux中斷下半部處理有三種方式：軟中斷、tasklet、工作隊(duì)列。

曾經(jīng)有人問(wèn)我為什么要分這幾種，該怎么用。當(dāng)時(shí)用書(shū)上的東西蒙混了過(guò)去，但是自己明白自己實(shí)際上是不懂的。最近有時(shí)間了，于是試著整理一下linux的中斷處理機(jī)制，目的是起碼從原理上能夠說(shuō)得通。

一、最簡(jiǎn)單的中斷機(jī)制

最簡(jiǎn)單的中斷機(jī)制就是像芯片手冊(cè)上講的那樣，在中斷向量表中填入跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)處理函數(shù)的指令，然后在處理函數(shù)中實(shí)現(xiàn)需要的功能。類似下圖：

這種方式在原來(lái)的單片機(jī)課程中常常用到，一些簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)也是這樣用。

它的好處很明顯，簡(jiǎn)單，直接。

二、下半部

中斷處理函數(shù)所作的第一件事情是什么？答案是屏蔽中斷（或者是什么都不做，因?yàn)槌３Ｊ侨绻磺宄齀F位，就等于屏蔽中斷了），當(dāng)然只屏蔽同一種中斷。之所以要屏蔽中斷，是因?yàn)樾碌闹袛鄷?huì)再次調(diào)用中斷處理函數(shù)，導(dǎo)致原來(lái)中斷處理現(xiàn)場(chǎng)的破壞。即，破壞了 interrupt context。

隨著系統(tǒng)的不斷復(fù)雜，中斷處理函數(shù)要做的事情也越來(lái)越多，多到都來(lái)不及接收新的中斷了。于是發(fā)生了中斷丟失，這顯然不行，于是產(chǎn)生了新的機(jī)制：分離中斷接收與中斷處理過(guò)程。中斷接收在屏蔽中斷的情況下完成；中斷處理在時(shí)能中斷的情況下完成，這部分被稱為中斷下半部。

從上圖中看，只看int0的處理。Func0為中斷接收函數(shù)。中斷只能簡(jiǎn)單的觸發(fā)func0，而func0則能做更多的事情，它與funcA之間可以使用隊(duì)列等緩存機(jī)制。當(dāng)又有中斷發(fā)生時(shí)，func0被觸發(fā)，然后發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求到緩存隊(duì)列，然后讓funcA去處理。

由于func0做的事情是很簡(jiǎn)單的，所以不會(huì)影響int0的再次接收。而且在func0返回時(shí)就會(huì)使能int0，因此funcA執(zhí)行時(shí)間再長(zhǎng)也不會(huì)影響int0的接收。

三、軟中斷

下面看看linux中斷處理。作為一個(gè)操作系統(tǒng)顯然不能任由每個(gè)中斷都各自為政，統(tǒng)一管理是必須的。

我們不可中斷部分的共同部分放在函數(shù)do_IRQ中，需要添加中斷處理函數(shù)時(shí)，通過(guò)request_irq實(shí)現(xiàn)。下半部放在do_softirq中，也就是軟中斷，通過(guò)open_softirq添加對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)。

四、tasklet

舊事物跟不上歷史的發(fā)展時(shí)，總會(huì)有新事物出現(xiàn)。

隨著中斷數(shù)的不停增加，軟中斷不夠用了，于是下半部又做了進(jìn)化。

軟中斷用輪詢的方式處理。假如正好是最后一種中斷，則必須循環(huán)完所有的中斷類型，才能最終執(zhí)行對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)。顯然當(dāng)年開(kāi)發(fā)人員為了保證輪詢的效率，于是限制中斷個(gè)數(shù)為32個(gè)。

為了提高中斷處理數(shù)量，順道改進(jìn)處理效率，于是產(chǎn)生了tasklet機(jī)制。

Tasklet采用無(wú)差別的隊(duì)列機(jī)制，有中斷時(shí)才執(zhí)行，免去了循環(huán)查表之苦。

總結(jié)下tasklet的優(yōu)點(diǎn)：

（1）無(wú)類型數(shù)量限制；

（2）效率高，無(wú)需循環(huán)查表；

（3）支持SMP機(jī)制；

五、工作隊(duì)列

前面的機(jī)制不論如何折騰，有一點(diǎn)是不會(huì)變的。它們都在中斷上下文中。什么意思？說(shuō)明它們不可掛起。而且由于是串行執(zhí)行，因此只要有一個(gè)處理時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致其他中斷響應(yīng)的延遲。為了完成這些不可能完成的任務(wù)，于是出現(xiàn)了工作隊(duì)列。工作隊(duì)列說(shuō)白了就是一組內(nèi)核線程，作為中斷守護(hù)線程來(lái)使用。多個(gè)中斷可以放在一個(gè)線程中，也可以每個(gè)中斷分配一個(gè)線程。

工作隊(duì)列對(duì)線程作了封裝，使用起來(lái)更方便。

因?yàn)楣ぷ麝?duì)列是線程，所以我們可以使用所有可以在線程中使用的方法。

Tasklet其實(shí)也不一定是在中斷上下文中執(zhí)行，它也有可能在線程中執(zhí)行。

假如中斷數(shù)量很多，而且這些中斷都是自啟動(dòng)型的（中斷處理函數(shù)會(huì)導(dǎo)致新的中斷產(chǎn)生），則有可能cpu一直在這里執(zhí)行中斷處理函數(shù)，會(huì)導(dǎo)致用戶進(jìn)程永遠(yuǎn)得不到調(diào)度時(shí)間。

為了避免這種情況，linux發(fā)現(xiàn)中斷數(shù)量過(guò)多時(shí)，會(huì)把多余的中斷處理放到一個(gè)單獨(dú)的線程中去做，就是ksoftirqd線程。這樣又保證了中斷不多時(shí)的響應(yīng)速度，又保證了中斷過(guò)多時(shí)不會(huì)把用戶進(jìn)程餓死。

問(wèn)題是我們不能保證我們的tasklet或軟中斷處理函數(shù)一定會(huì)在線程中執(zhí)行，所以還是不能使用進(jìn)程才能用的一些方法，如放棄調(diào)度、長(zhǎng)延時(shí)等。

六、使用方式總結(jié)

Request_irq掛的中斷函數(shù)要盡量簡(jiǎn)單，只做必須在屏蔽中斷情況下要做的事情。

中斷的其他部分都在下半部中完成。

軟中斷的使用原則很簡(jiǎn)單，永遠(yuǎn)不用。它甚至都不算是一種正是的中斷處理機(jī)制，而只是tasklet的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

工作隊(duì)列也要少用，如果不是必須要用到線程才能用的某些機(jī)制，就不要使用工作隊(duì)列。其實(shí)對(duì)于中斷來(lái)說(shuō)，只是對(duì)中斷進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，大部分工作是在驅(qū)動(dòng)程序中完成的。所以有什么必要非使用工作隊(duì)列呢？

除了上述情況，就要使用tasklet。

即使是下半部，也只是作必須在中斷中要做的事情，如保存數(shù)據(jù)等，其他都交給驅(qū)動(dòng)程序去做。

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