Linux中斷（interrupt）子系統之三：中斷流控處理層

1.  中斷流控層簡介

早期的內核版本中，幾乎所有的中斷都是由__do_IRQ函數進行處理，但是，因爲各種中斷請求的電氣特性會有所不同，又或者中斷控制器的特性也不同，這會導致以下這些處理也會有所不同：

• 何時對中斷控制器發出ack迴應；
• mask_irq和unmask_irq的處理；
• 中斷控制器是否需要eoi迴應？
• 何時打開cpu的本地irq中斷？以便允許irq的嵌套；
• 中斷數據結構的同步和保護；

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爲此，通用中斷子系統把幾種常用的流控類型進行了抽象，併爲它們實現了相應的標準函數，我們只要選擇相應的函數，賦值給irq所對應的irq_desc結構的handle_irq字段中即可。這些標準的回調函數都是irq_flow_handler_t類型：

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typedef    void (*irq_flow_handler_t)(unsigned int irq,
                     struct irq_desc *desc);

目前的通用中斷子系統實現了以下這些標準流控回調函數，這些函數都定義在：kernel/irq/chip.c中，

• handle_simple_irq  用於簡易流控處理；
  
• handle_level_irq  用於電平觸發中斷的流控處理；
• handle_edge_irq  用於邊沿觸發中斷的流控處理；
  
•  handle_fasteoi_irq  用於需要響應eoi的中斷控制器；
  
• handle_percpu_irq  用於只在單一cpu響應的中斷；
  
• handle_nested_irq  用於處理使用線程的嵌套中斷；

驅動程序和板級代碼可以通過以下幾個API設置irq的流控函數：

• irq_set_handler();
  
• irq_set_chip_and_handler();
  
• irq_set_chip_and_handler_name();
  

以下這個序列圖展示了整個通用中斷子系統的中斷響應過程，flow_handle一欄就是中斷流控層的生命週期：

                                          圖1.1  通用中斷子系統的中斷響應過程

2.  handle_simple_irq

該函數沒有實現任何實質性的流控操作，在把irq_desc結構鎖住後，直接調用handle_irq_event處理irq_desc中的action鏈表，它通常用於多路複用（類似於中斷控制器級聯）中的子中斷，由父中斷的流控回調中調用。或者用於無需進行硬件控制的中斷中。以下是它的經過簡化的代碼：

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void
handle_simple_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
    raw_spin_lock(&desc->lock);
    ......
    handle_irq_event(desc);

out_unlock:
    raw_spin_unlock(&desc->lock);
}

3.  handle_level_irq

該函數用於處理電平中斷的流控操作。電平中斷的特點是，只要設備的中斷請求引腳（中斷線）保持在預設的觸發電平，中斷就會一直被請求，所以，爲了避免同一中斷被重複響應，必須在處理中斷前先把mask irq，然後ack irq，以便復位設備的中斷請求引腳，響應完成後再unmask irq。實際的情況稍稍複雜一點，在mask和ack之後，還要判斷IRQ_INPROGRESS標誌位，如果該標誌已經置位，則直接退出，不再做實質性的處理，IRQ_INPROGRESS標誌在handle_irq_event的開始設置，在handle_irq_event結束時清除，如果監測到IRQ_INPROGRESS被置位，表明該irq正在被另一個CPU處理中，所以直接退出，對電平中斷來說是正確的處理方法。但是我覺得在ARM系統中，這種情況根本就不會發生，因爲在沒有進入handle_level_irq之前，中斷控制器沒有收到ack通知，它不會向第二個CPU再次發出中斷請求，而當程序進入handle_level_irq之後，第一個動作就是mask irq，然後ack irq（通常是聯合起來的：mask_ack_irq），這時候就算設備再次發出中斷請求，也是在handle_irq_event結束，unmask irq之後，這時IRQ_INPROGRESS標誌已經被清除。我不知道其他像X86之類的體系是否有不同的行爲，有知道的朋友請告知我一下。以下是handle_level_irq經過簡化之後的代碼：

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void
handle_level_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
    raw_spin_lock(&desc->lock);
    mask_ack_irq(desc);

    if (unlikely(irqd_irq_inprogress(&desc->irq_data)))
            goto out_unlock;
        ......

    if (unlikely(!desc->action || irqd_irq_disabled(&desc->irq_data)))
        goto out_unlock;

    handle_irq_event(desc);

    if (!irqd_irq_disabled(&desc->irq_data) && !(desc->istate & IRQS_ONESHOT))
        unmask_irq(desc);
out_unlock:
    raw_spin_unlock(&desc->lock);
}

雖然handle_level_irq對電平中斷的流控進行了必要的處理，因爲電平中斷的特性：只要沒有ack irq，中斷線會一直有效，所以我們不會錯過某次中斷請求，但是驅動程序的開發人員如果對該過程理解不透徹，特別容易發生某次中斷被多次處理的情況。特別是使用了中斷線程（action->thread_fn）來響應中斷的時候：通常mask_ack_irq只會清除中斷控制器的pending狀態，很多慢速設備（例如通過i2c或spi控制的設備）需要在中斷線程中清除中斷線的pending狀態，但是未等到中斷線程被調度執行的時候，handle_level_irq早就返回了，這時已經執行過unmask_irq，設備的中斷線pending處於有效狀態，中斷控制器會再次發出中斷請求，結果是設備的一次中斷請求，產生了兩次中斷響應。要避免這種情況，最好的辦法就是不要單獨使用中斷線程處理中斷，而是要實現request_threaded_irq()的第二個參數irq_handler_t：handler，在handle回調中使用disable_irq()關閉該irq，然後在退出中斷線程回調前再enable_irq()。假設action->handler沒有屏蔽irq，以下這幅圖展示了電平中斷期間IRQ_PROGRESS標誌、本地中斷狀態和觸發其他CPU的狀態：

                              圖3.1  電平觸發中斷狀態

4.  handle_edge_irq

該函數用於處理邊沿觸發中斷的流控操作。邊沿觸發中斷的特點是，只有設備的中斷請求引腳（中斷線）的電平發生跳變時（由高變低或者有低變高），纔會發出中斷請求，因爲跳變是一瞬間，而且不會像電平中斷能保持住電平，所以處理不當就特別容易漏掉一次中斷請求，爲了避免這種情況，屏蔽中斷的時間必須越短越好。內核的開發者們顯然意識到這一點，在正是處理中斷前，判斷IRQ_PROGRESS標誌沒有被設置的情況下，只是ack irq，並沒有mask irq，以便復位設備的中斷請求引腳，在這之後的中斷處理期間，另外的cpu可以再次響應同一個irq請求，如果IRQ_PROGRESS已經置位，表明另一個CPU正在處理該irq的上一次請求，這種情況下，他只是簡單地設置IRQS_PENDING標誌，然後mask_ack_irq後退出，中斷請求交由原來的CPU繼續處理。因爲是mask_ack_irq，所以系統實際上只允許掛起一次中斷。

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if (unlikely(irqd_irq_disabled(&desc->irq_data) ||
         irqd_irq_inprogress(&desc->irq_data) || !desc->action)) {
        if (!irq_check_poll(desc)) {
            desc->istate |= IRQS_PENDING;
            mask_ack_irq(desc);
            goto out_unlock;
        }
    }

    desc->irq_data.chip->irq_ack(&desc->irq_data);

從上面的分析可以知道，處理中斷期間，另一次請求可能由另一個cpu響應後掛起，所以在處理完本次請求後還要判斷IRQS_PENDING標誌，如果被置位，當前cpu要接着處理被另一個cpu“委託”的請求。內核在這裏設置了一個循環來處理這種情況，直到IRQS_PENDING標誌無效爲止，而且因爲另一個cpu在響應並掛起irq時，會mask irq，所以在循環中要再次unmask irq，以便另一個cpu可以再次響應並掛起irq：

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do {
                ......
        if (unlikely(desc->istate & IRQS_PENDING)) {
            if (!irqd_irq_disabled(&desc->irq_data) &&
             irqd_irq_masked(&desc->irq_data))
                unmask_irq(desc);
        }

        handle_irq_event(desc);

    } while ((desc->istate & IRQS_PENDING) &&
         !irqd_irq_disabled(&desc->irq_data));

IRQS_PENDING標誌會在handle_irq_event中清除。

                                  圖4.1   邊沿觸發中斷狀態

由圖4.1也可以看出，在處理軟件中斷（softirq）期間，此時仍然處於中斷上下文中，但是cpu的本地中斷是處於打開狀態的，這表明此時嵌套中斷允許發生，不過這不要緊，因爲重要的處理已經完成，被嵌套的也只是軟件中斷部分而已。這個也就是內核區分top和bottom兩個部分的初衷吧。

5.  handle_fasteoi_irq

現代的中斷控制器通常會在硬件上實現了中斷流控功能，例如ARM體系中的GIC通用中斷控制器。對於這種中斷控制器，CPU只需要在每次處理完中斷後發出一個end of interrupt（eoi），我們無需關注何時mask，何時unmask。不過雖然想着很完美，事情總有特殊的時候，所以內核還是給了我們插手的機會，它利用irq_desc結構中的preflow_handler字段，在正式處理中斷前會通過preflow_handler函數調用該回調。

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void
handle_fasteoi_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
    raw_spin_lock(&desc->lock);

    if (unlikely(irqd_irq_inprogress(&desc->irq_data)))
        if (!irq_check_poll(desc))
            goto out;
        ......
    if (unlikely(!desc->action || irqd_irq_disabled(&desc->irq_data))) {
        desc->istate |= IRQS_PENDING;
        mask_irq(desc);
        goto out;
    }

    if (desc->istate & IRQS_ONESHOT)
        mask_irq(desc);

    preflow_handler(desc);
    handle_irq_event(desc);

out_eoi:
    desc->irq_data.chip->irq_eoi(&desc->irq_data);
out_unlock:
    raw_spin_unlock(&desc->lock);
    return;
        ......
}

此外，內核還提供了另外一個eoi版的函數：handle_edge_eoi_irq，它的處理類似於handle_edge_irq，只是無需實現mask和unmask的邏輯。

6.  handle_percpu_irq

該函數用於smp系統，當某個irq只在一個cpu上處理時，我們可以無需用自旋鎖對數據進行保護，也無需處理cpu之間的中斷嵌套重入，所以函數很簡單：

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void
handle_percpu_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
    struct irq_chip *chip = irq_desc_get_chip(desc);

    kstat_incr_irqs_this_cpu(irq, desc);

    if (chip->irq_ack)
        chip->irq_ack(&desc->irq_data);

    handle_irq_event_percpu(desc, desc->action);

    if (chip->irq_eoi)
        chip->irq_eoi(&desc->irq_data);
}

7.  handle_nested_irq

該函數用於實現其中一種中斷共享機制，當多箇中斷共享某一根中斷線時，我們可以把這個中斷線作爲父中斷，共享該中斷的各個設備作爲子中斷，在父中斷的中斷線程中決定和分發響應哪個設備的請求，在得出真正發出請求的子設備後，調用handle_nested_irq來響應中斷。所以，該函數是在進程上下文執行的，我們也無需掃描和執行irq_desc結構中的action鏈表。父中斷在初始化時必須通過irq_set_nested_thread函數明確告知中斷子系統：這些子中斷屬於線程嵌套中斷類型，這樣驅動程序在申請這些子中斷時，內核不會爲它們建立自己的中斷線程，所有的子中斷共享父中斷的中斷線程。

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void handle_nested_irq(unsigned int irq)
{
    ......
        might_sleep();

    raw_spin_lock_irq(&desc->lock);
        ......
    action = desc->action;
    if (unlikely(!action || irqd_irq_disabled(&desc->irq_data)))
        goto out_unlock;

    irqd_set(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_INPROGRESS);
    raw_spin_unlock_irq(&desc->lock);

    action_ret = action->thread_fn(action->irq, action->dev_id);

    raw_spin_lock_irq(&desc->lock);
    irqd_clear(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_INPROGRESS);

out_unlock:
    raw_spin_unlock_irq(&desc->lock);
}