Linux的中断处理机制[一]--数据结构（1）

转载自兰新宇专栏，https://zhuanlan.zhihu.com/p/83709066

在计算机的发展过程中，外部设备的速度长期低于CPU，为了在必要的时候获取CPU的注意，需要在外设和CPU之间提供一种中断的机制。同时，对于现代操作系统，其内部的运行依赖于时钟的驱动，这也需要中断的支持。

不管是外部中断还是内部中断，在它们到达CPU之前，都会首先经过一个叫做中断控制器(Interrupt Controller)的硬件，其作用是根据中断源(Interrupt Source，也叫IRQ - Interrupt Request)的优先级对中断进行派发。

在多核系统中，中断控制器还需要根据CPU预先设定的规则，将某个中断送入指定的CPU(有点像路由器)，以实现中断的负载均衡(irq balance)。x86架构的中断控制器被称为APIC(Advanced Programmable Interrupt Controller)，ARM架构的中断控制器则被称为GIC(Generic Interrupt Controller)，它们都是适用于多核系统的。

1. irq_chip

Linux中描述中断控制器的数据结构是struct irq_chip，因为不同芯片的中断控制器对其挂接的IRQ有不同的控制方法，因而这个结构体主要是由一组用于回调(callback)，指向系统实际的中断控制器所使用的控制方法的函数指针构成。

struct irq_chip {
    const char    *name;
    void         (*irq_enable)(struct irq_data *data);
    void         (*irq_disable)(struct irq_data *data);
    void         (*irq_mask)(struct irq_data *data);
    void         (*irq_unmask)(struct irq_data *data);

    void         (*ipi_send_single)(struct irq_data *data, unsigned int cpu);
    void         (*ipi_send_mask)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest);
    ...
};

其中，"name"是中断控制器的名称，就是我们在"/proc/interupts"中看到的那个，比如下图中蓝框所示的的"IO-APIC"。

"irq_enable/irq_unmask"用于中断使能，"irq_disable/irq_mask"用于中断屏蔽。在多核系统中，CPU之间的中断被称为IPI(Inter-Processor Interrupt)，因此"ipi_send_single"表示这个IPI是发给单独的一个CPU，ipi_send_mask"表示IPI是发给mask范围内是所有CPU。

2. irq_desc

既然说到对每个IRQ不同的控制，那就不得不说下对IRQ的描述，IRQ是由struct irq_desc表示的：

struct irq_desc {
    const char          *name;
    unsigned int        depth;
    struct irqaction    *action;
    struct irq_data        irq_data;
    struct cpumask        *percpu_enabled;    
    ...
};

其中，"name"是这个IRQ的名称，同样可以在"/proc/interupts"中查看，如上图红框所示部分。

"depth"是关闭该IRQ的嵌套深度，正值表示禁用中断，而0表示可启用中断。

void __disable_irq(struct irq_desc *desc)
{
    if (!desc->depth++)
    irq_disable(desc);
}

3. irqaction

"irq_desc"中的"action"是IRQ对应的中断处理函数(ISR - Interrupt Service Routine)，按理ISR应该就是一个函数指针，可这里确是一个指向struct irqaction的指针。

这是因为在早期的一些处理器中，硬件中断的数目很少，而且有些中断编号已经永久性地分配给了标准的系统组件(比如keyboard和timer)，为了服务于更多的设备，只能对有限的IRQ中断号进行共享。这样，同一个中断号就会对应多个不同的处理函数，这些处理函数通过一个单向链表串联在一起的。

struct irqaction {
    irq_handler_t        handler;
    void            *dev_id;
    struct irqaction    *next;
    ...
}

当一个中断发生的时候，其对应IRQ链表上的所有"irqaction"的"handler"都将被依次执行，以判断是否是自己的设备产生的中断，这主要靠读取自己设备的中断状态寄存器来完成。因此共享中断时，即便不是你的设备产生的中断，你的"handler"也会被调用到。为了避免无谓的消耗，需要一进"handler"就立刻进行判断，如果不是，就尽快的退出。

当一个设备从挂接的IRQ线上卸载时，设备对应的"irqaction"也应该相应地从IRQ链表中移除，此时需要一个表示挂接在同一个IRQ上的不同设备的标识，这个标识就是"dev_id"。内核通过比对"dev_id"，来找到那个应该移除的"irqaction"。

有了中断共享，处理起来着实麻烦了很多，好在新的硬件平台上的设计已经很少采用外设共享IRQ的方式了，因为现在SOC能提供的有中断功能的GPIO已经非常多，足够使用了。

4. irq_data

至于"irq_desc"中的"irq_data"，这个在前面已经出现过了，"irq_chip"结构体中的每个函数指针，都会携带一个指向struct irq_data的指针作为参数，可见这个"irq_data"与中断控制必定关系密切。也就是说，在"irq_desc"的定义中，与中断控制器紧密联系的这部分被单独提取出来，构成了"irq_data"结构体：

struct irq_data {
    struct irq_chip        *chip;
    struct irq_domain    *domain;
    unsigned int        irq;
    unsigned long        hwirq;
        ...
};

其中，"chip"就指向了这个IRQ所挂接的中断控制器，两者的绑定是通过irq_set_chip()函数完成的。

int irq_set_chip(unsigned int irq, struct irq_chip *chip)
{
    struct irq_desc *desc = irq_get_desc_lock(irq, &flags, 0);
    desc->irq_data.chip = chip;
        ...
}

绑定之后就可以利用"irq_chip"提供的各种处理函数了，比如内核提供的用于禁止一个IRQ的irq_disable()，它就是通过该IRQ对应的"irq_desc"的"irq_data"域，找到对应的"irq_chip"，进而回调"irq_chip"中的"irq_disable"函数。

void irq_disable(struct irq_desc *desc)
{
    if (desc->irq_data.chip->irq_disable)
        desc->irq_data.chip->irq_disable(&desc->irq_data);
    ...
}

挂接在同一个中断控制器上的IRQ有相同的控制方法，比如"irq_enable"都是通过写入这个中断控制器的一组寄存器实现，只是不同IRQ的使能需要写入寄存器中不同的bits。这里的"irq_enable"只是用于使能单个IRQ的，而不是使能整个中断控制器。

虽然是使能单个IRQ，但由于这是在中断控制器层面的操作，因而对所有挂接这个中断控制器的CPU都有效，如果要控制单个IRQ对单个CPU有效，则可以借助"irq_desc"中的"percpu_enabled"位域，实现irq_percpu_enable()函数。

要关闭一个CPU对所有中断的响应，应该使用local_irq_disable()/local_irq_save()函数，以x86为例，这是通过关中断指令"cli"实现的。这种中断关闭只对执行关中断指令的CPU有效，要想直接关闭所有CPU对所有中断的响应，通常是不行的。
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系统中如果只有一个中断控制器，其实是不需要什么绑定的，可是随着芯片功能越来越强，硬件也越来越复杂，现在的很多系统已经不止一个中断控制器了。

我们读芯片手册的时候都知道，每个IRQ都有一个编号，称为中断号。这里"irq"就是表示中断号，可是为什么会有"irq"和"hwirq"两个中断号？详情请看下文分解。