Linux--硬件中斷處理

我們知道關於中斷被分成了兩種，一種是軟中斷（比如：系統調用，系統報錯等）；另一種是硬件中斷。這裏我們來了解一下內核是如何識別並處理這些中斷的。

以5.6版本的內核爲例，在內核啓動階段的代碼中可以看到這麼一個函數init_IRQ()，顧名思義，該函數主要的任務是初始化中斷。因爲每個CPU的架構不同，所以其硬件中斷存在一定的差異性，因此該函數由各個CPU的架構自己來實現。這裏以mips架構爲例，其實現如下：

void __init init_IRQ(void)
{
	int i;
	unsigned int order = get_order(IRQ_STACK_SIZE);
	//這裏IRQ_STACK_SIZE被設置爲2^14，該函數的作用便是獲取到指數14。
	for (i = 0; i < NR_IRQS; i++)
		irq_set_noprobe(i);
	//這裏NR_IRQS被定義爲128，另外，在init_IRQ函數之前，有一個名爲early_irq_init的函數，該函數主要對中斷所需要的數據結構進行準備與初始化，early_irq_init函數主要利用基數樹的屬性結構來對中斷結構體struct irq_desc進行了組織。所以，在當前初始化階段，該函數通過上述的基數樹與中斷號來查找所對應的struct irq_desc結構體對象。當獲得irq_desc結構體對象後，來修改其中相關的成員參數。
	if (cpu_has_veic)
		clear_c0_status(ST0_IM);
	arch_init_irq();
	//該函數主要完成與架構相關的中斷初始化，這部分與各自CPU架構所採用的中斷控制器工作方式相關，比如：有的CPU架構中斷採用的是8259中斷控制器，因此函數調用init_i8259_irqs函數來初始化8259芯片，以及向內核中添加8259的中斷域。中斷初始化的過程主要通過struct irq_desc、struct irq_action、struct irq_chip、struct irq_domain這幾個結構體來完成。
	//另外，內核提供了一種名爲irq_chip機制的中斷管理方法，利用該機制可以在irqchip目錄下實現所需的硬件中斷處理文件，最後可以通過irq_chip_init函數將irqchip目錄下的中斷處理依次註冊到內核中，其實該機制主要使用了編譯器的特性，可以在IRQCHIP_DECLARE宏定義中看見。
	for_each_possible_cpu(i) {
		void *s = (void *)__get_free_pages(GFP_KERNEL, order);
		irq_stack[i] = s;
		pr_debug("CPU%d IRQ stack at 0x%p - 0x%p\n", i, irq_stack[i], irq_stack[i] + IRQ_STACK_SIZE);
	}
	//該循環主要爲每一箇中斷所對應的棧來分配空間，從代碼中可以知道每個棧的空間大小爲2^14. 
}

當中斷初始化完成之後，如何利用初始化形成的數據結構來處理中斷呢？

首先了解一下MIPS架構中是如何通過寄存器來識別並處理中斷的。在MIPS架構的CPU中，其內部存在的協處理器中有許多的功能不同的寄存器，其中與中斷相關的寄存器有以下幾個：

寄存器名稱	作用
Status	處理器狀態與控制寄存器，在該寄存器中與中斷向量入口地址相關的爲BEV位域
IntCtl	中斷系統狀態與控制寄存器，該寄存器中的VS位域代表了各個中斷向量入口地址的間距
Cause	存放上次例外原因（MIPS將中斷也歸類爲例外的一種），其中IV位域表示中斷例外向量入口控制位（1：使用特殊中斷向量0x200；0：使用通用例外向量0x180），ExcCode位域表示例外類型（0x00：中斷）
EBase	例外入口基址寄存器，其中Exception Base位域左移12位爲例外入口向量基址

當發生中斷時，內核會根據EBase寄存器以及偏移量來跳轉到異常處理入口地址處（因爲中斷也術語異常的一種形式），而關於EBase和偏移量的大小則是根據Status和Cause寄存器來確定的，如下：

例外向量基址

例外	Status.BEV=0	Status.BEV=1
其它例外情況	EBase 63…12 or 0x000	0xFFFF.FFFF.BFC0.0200

例外向量偏移

例外	向量偏移
中斷(Cause.IV=0)	0x180
中斷(IntCtl.VS=0 且 Cause.IV=1)	0x200
中斷(Status.BEV=1 且 Cause.IV=1)	0x200
中斷(Cause.IV=1 且 Status.BEV=0 且 IntCtl.VS!=0)	0x200 + (中斷向量號 × (IntCtl.VS or 0xb00000))

這裏的“or”代表或操作。所以當處理器接收到中斷信號後，會根據上述的寄存器跳轉到所對應的異常處理入口。

而在內核中MIPS架構提供的異常處理入口爲except_vec3_generic函數，隨後該函數通過讀取Cause寄存器中的ExCode來判斷是哪種異常類型，並通過全局變量exception_handlers數組來找到對應的入口函數，如果是中斷類型，則會去調用handle_int()函數。關於設置異常處理入口地址，以及根據類型找到對應的處理函數，都是在內核的初始化階段trap_init()函數中來完成的。

void __init trap_init(void)
{
	...
	set_handler(0x180, &except_vec3_generic, 0x80);
	//關於該函數，其內部實現如下：
	//void set_handler(unsigned long offset, void *addr, unsigned long size)
	//{
	//	...
	//	memcpy((void *)(ebase + offset), addr, size);
	//	...
	//}
	//結合上邊對寄存器的描述，可以看出內核將except_vec3_generic的入口地址複製到了ebase+offset處，即異常處理入口地址
	...
	set_except_vector(EXCCODE_INT, using_rollback_handler() ? rollback_handle_int : handle_int);
	//該函數的內部實現如下：
	//void __init *set_except_vector(int n, void *addr)
	//{
	//	...
	//	old_handler = xchg(&exception_handlers[n], handler);
	//	...
	//}
}

根據上述代碼，可知內核在trap_init中對異常的處理入口，以及異常類型的處理入口進行了設置。關於except_vec3_generic以及handle_int的實現，均在arch/mips/kernel/genex.S文件中。

handle_init函數主要完成中斷處理前期的任務，比如：關閉中斷，保護現場等。隨後調用plat_irq_dispatch函數來路由中斷。plat_irq_dispatch()通過讀取Cause、Status、SR（IM）來得知當前中斷所在的引腳（IP0~IP7）。