【原創】Linux中斷子系統（二）-通用框架處理

LoyenWang發表於2020-06-05
Linux框架

背景

  • Read the fucking source code! --By 魯迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

  1. Kernel版本：4.14
  2. ARM64處理器，Contex-A53，雙核
  3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析講到了底層硬體GIC驅動，以及Arch-Specific的中斷程式碼，本文將研究下通用的中斷處理的過程，屬於硬體無關層。當然，我還是建議你看一下上篇文章。

這篇文章會解答兩個問題：

  1. 使用者是怎麼使用中斷的（中斷註冊）？
  2. 外設觸發中斷訊號時，最終是怎麼呼叫到中斷handler的（中斷處理）？

2. 資料結構分析

先來看一下總的資料結構，核心是圍繞著struct irq_desc來展開：

  • Linux核心的中斷處理，圍繞著中斷描述符結構struct irq_desc展開，核心提供了兩種中斷描述符組織形式：

    1. 開啟CONFIG_SPARSE_IRQ巨集（中斷編號不連續），中斷描述符以radix-tree來組織，使用者在初始化時進行動態分配，然後再插入radix-tree中；
    2. 關閉CONFIG_SPARSE_IRQ巨集（中斷編號連續），中斷描述符以陣列的形式組織，並且已經分配好；
    3. 不管哪種形式，最終都可以通過linux irq號來找到對應的中斷描述符；

  • 圖的左側灰色部分，主要在中斷控制器驅動中進行初始化設定，包括各個結構中函式指標的指向等，其中struct irq_chip用於對中斷控制器的硬體操作，struct irq_domain與中斷控制器對應，完成的工作是硬體中斷號到Linux irq的對映；

  • 圖的上側灰色部分，中斷描述符的建立（這裡指CONFIG_SPARSE_IRQ），主要在獲取裝置中斷資訊的過程中完成的，從而讓裝置樹中的中斷能與具體的中斷描述符irq_desc匹配；

  • 圖中剩餘部分，在裝置申請註冊中斷的過程中進行設定，比如struct irqaction中handler的設定，這個用於指向我們裝置驅動程式中的中斷處理函式了；

中斷的處理主要有以下幾個功能模組：

  1. 硬體中斷號到Linux irq中斷號的對映，並建立好irq_desc中斷描述符；
  2. 中斷註冊時，先獲取裝置的中斷號，根據中斷號找到對應的irq_desc，並將裝置的中斷處理函式新增到irq_desc中；
  3. 裝置觸發中斷訊號時，根據硬體中斷號得到Linux irq中斷號，找到對應的irq_desc，最終呼叫到裝置的中斷處理函式；

上述的描述比較簡單，更詳細的過程，往下看吧。

3. 流程分析

3.1 中斷註冊

這一次，讓我們以問題的方式來展開：
先來讓我們回答第一個問題：使用者是怎麼使用中斷的？

  1. 熟悉裝置驅動的同學應該都清楚，經常會在驅動程式中呼叫request_irq()介面或者request_threaded_irq()介面來註冊裝置的中斷處理函式；
  2. request_irq()/request_threaded_irq介面中，都需要用到irq，也就是中斷號，那麼這個中斷號是從哪裡來的呢？它是Linux irq，它又是如何對映到具體的硬體裝置的中斷號的呢？

先來看第二個問題：裝置硬體中斷號到Linux irq中斷號的對映

  • 硬體裝置的中斷資訊都在裝置樹device tree中進行了描述，在系統啟動過程中，這些資訊都已經載入到記憶體中並得到了解析；
  • 驅動中通常會使用platform_get_irq或irq_of_parse_and_map介面，去根據裝置樹的資訊去建立對映關係（硬體中斷號到linux irq中斷號對映）；
  • 【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析提到過struct irq_domain用於完成對映工作，因此在irq_create_fwspec_mapping介面中，會先去找到匹配的irq domain，再去回撥該irq domain中的函式集，通常irq domain都是在中斷控制器驅動中初始化的，以ARM GICv2為例，最終回撥到gic_irq_domain_hierarchy_ops中的函式；
  • 如果已經建立好了對映，那麼可以直接進行返回linux irq中斷號了，否則的話需要irq_domain_alloc_irqs來建立對映關係；
  • irq_domain_alloc_irqs完成兩個工作：
    1. 針對linux irq中斷號建立一個irq_desc中斷描述符；
    2. 呼叫domain->ops->alloc函式來完成對映，在ARM GICv2驅動中對應gic_irq_domain_alloc函式，這個函式很關鍵，所以下文介紹一下；

gic_irq_domain_alloc函式如下：

  • gic_irq_domain_translate：負責解析出裝置樹中描述的中斷號和中斷觸發型別（邊緣觸發、電平觸發等）；
  • gic_irq_domain_map：將硬體中斷號和linux中斷號繫結到一個結構中，也就完成了對映，此外還繫結了irq_desc結構中的其他欄位，最重要的是設定了irq_desc->handle_irq的函式指標，這個最終是中斷響應時往上執行的入口，這個是關鍵，下文講述中斷處理過程時還會提到；
  • 根據硬體中斷號的範圍設定irq_desc->handle_irq的指標，共享中斷入口為handle_fasteoi_irq，私有中斷入口為handle_percpu_devid_irq；

上述函式執行完成後，完成了兩大工作：

  1. 硬體中斷號與Linux中斷號完成對映，併為Linux中斷號建立了irq_desc中斷描述符；
  2. 資料結構的繫結及初始化，關鍵的地方是設定了中斷處理往上執行的入口；

再看第一個問題：中斷是怎麼來註冊的？

裝置驅動中，獲取到了irq中斷號後，通常就會採用request_irq/request_threaded_irq來註冊中斷，其中request_irq用於註冊普通處理的中斷，request_threaded_irq用於註冊執行緒化處理的中斷；

在講具體的註冊流程前，先看一下主要的中斷標誌位：

#define IRQF_SHARED		0x00000080              //多個裝置共享一箇中斷號，需要外設硬體支援
#define IRQF_PROBE_SHARED	0x00000100              //中斷處理程式允許sharing mismatch發生
#define __IRQF_TIMER		0x00000200              //時鐘中斷
#define IRQF_PERCPU		0x00000400              //屬於特定CPU的中斷
#define IRQF_NOBALANCING	0x00000800              //禁止在CPU之間進行中斷均衡處理
#define IRQF_IRQPOLL		0x00001000              //中斷被用作輪訓
#define IRQF_ONESHOT		0x00002000              //一次性觸發的中斷，不能巢狀，1）在硬體中斷處理完成後才能開啟中斷；2）在中斷執行緒化中保持關閉狀態，直到該中斷源上的所有thread_fn函式都執行完
#define IRQF_NO_SUSPEND		0x00004000              //系統休眠喚醒操作中，不關閉該中斷
#define IRQF_FORCE_RESUME	0x00008000              //系統喚醒過程中必須強制開啟該中斷
#define IRQF_NO_THREAD		0x00010000              //禁止中斷執行緒化
#define IRQF_EARLY_RESUME	0x00020000              //系統喚醒過程中在syscore階段resume，而不用等到裝置resume階段
#define IRQF_COND_SUSPEND	0x00040000              //與NO_SUSPEND的使用者共享中斷時，執行本裝置的中斷處理函式

  • request_irq也是呼叫request_threaded_irq，只是在傳參的時候，執行緒處理函式thread_fn函式設定成NULL；
  • 由於在硬體中斷號和Linux中斷號完成對映後，irq_desc已經建立好，可以通過irq_to_desc介面去獲取對應的irq_desc；
  • 建立irqaction，並初始化該結構體中的各個欄位，其中包括傳入的中斷處理函式賦值給對應的欄位；
  • __setup_irq用於完成中斷的相關設定，包括中斷執行緒化的處理：
    1. 中斷執行緒化用於減少系統關中斷的時間，增強系統的實時性；
    2. ARM64預設開啟了CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING，引導引數傳入threadirqs時，則除了IRQF_NO_THREAD外的中斷，其他的都將強制執行緒化處理；
    3. 中斷執行緒化會為每個中斷都建立一個核心執行緒，如果中斷進行共享，對應irqaction將連線成連結串列，每個irqaction都有thread_mask點陣圖欄位，當所有共享中斷都處理完成後才能unmask中斷，解除中斷遮蔽；

3.2 中斷處理

當完成中斷的註冊後，所有結構的組織關係都已經建立好，剩下的工作就是當訊號來臨時，進行中斷的處理工作。

來回顧一下【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析中的Arch-specific處理流程：

  • 中斷收到之後，首先會跳轉到異常向量表的入口處，進而逐級進行回撥處理，最終呼叫到generic_handle_irq來進行中斷處理。

generic_handle_irq處理如下圖：

  • generic_handle_irq函式最終會呼叫到desc->handle_irq()，這個也就是對應到上文中在建立對映關係的過程中，呼叫irq_domain_set_info函式，設定好了函式指標，也就是handle_fasteoi_irq和handle_percpu_devid_irq；
  • handle_fasteoi_irq：處理共享中斷，並且遍歷irqaction連結串列，逐個呼叫action->handler()函式，這個函式正是裝置驅動程式呼叫request_irq/request_threaded_irq介面註冊的中斷處理函式，此外如果中斷執行緒化處理的話，還會呼叫__irq_wake_thread()喚醒核心執行緒；
  • handle_percpu_devid_irq：處理per-CPU中斷處理，在這個過程中會分別呼叫中斷控制器的處理函式進行硬體操作，該函式呼叫action->handler()來進行中斷處理；

來看看中斷執行緒化處理後的喚醒流程吧__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread：

  • __handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread將喚醒irq_thread中斷核心執行緒；
  • irq_thread核心執行緒，將根據是否為強制中斷執行緒化對函式指標handler_fn進行初始化，以便後續進行呼叫；
  • irq_thread核心執行緒將while(!irq_wait_for_interrupt)迴圈進行中斷的處理，當滿足條件時，執行handler_fn，在該函式中最終呼叫action->thread_fn，也就是完成了中斷的處理；
  • irq_wait_for_interrupt函式，將會判斷中斷執行緒的喚醒條件，如果滿足了，則將當前任務設定成TASK_RUNNING狀態，並返回0，這樣就能執行中斷的處理，否則就呼叫schedule()進行排程，讓出CPU，並將任務設定成TASK_INTERRUPTIBLE可中斷睡眠狀態；

3.3 總結

中斷的處理，總體來說可以分為兩部分來看：

  1. 從上到下：圍繞irq_desc中斷描述符建立好連線關係，這個過程就包括：中斷源資訊的解析（裝置樹），硬體中斷號到Linux中斷號的對映關係、irq_desc結構的分配及初始化（內部各個結構的組織關係）、中斷的註冊（填充irq_desc結構，包括handler處理函式）等，總而言之，就是完成靜態關係建立，為中斷處理做好準備；
  2. 從下到上，當外設觸發中斷訊號時，中斷控制器接收到訊號併傳送到處理器，此時處理器進行異常模式切換，並逐步從處理器架構相關程式碼逐級回撥。如果涉及到中斷執行緒化，則還需要進行中斷核心執行緒的喚醒操作，最終完成中斷處理函式的執行。

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