第一、二期銜接——4.3 字符驅動設備—簡述Linux中斷處理體系結構

簡述Linux中斷處理體系結構

• 硬件平臺：韋東山嵌入式Linxu開發板（S3C2440.v3）
• 軟件平臺：運行於VMware Workstation 12 Player下UbuntuLTS16.04_x64 系統
• 參考資料：《嵌入式Linux應用開發手冊》、《嵌入式Linux應用開發手冊第2版》、https://blog.csdn.net/juS3Ve/article/details/81437432
• 開發環境：Linux 2.6.22.6 內核、arm-linux-gcc-3.4.5-glibc-2.3.6工具鏈

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一、棧

在介紹Linux中斷處理體系結構之前，先來介紹一下棧。

1、概念

  "棧“者,存儲貨物或供旅客住宿的地方,可引申爲倉庫、中轉站，所以引入到計算機領域裏，就是指數據暫時存儲的地方，所以纔有進棧、出棧的說法。
  棧，是一個線性表（數據結構），具有先進後出的特點。

2、場景舉例

在中斷的時候，我們通常需要到棧來進行保存現場的工作，下面通過一個場景來具體感受下棧的作用。
場景：在函數A中調用函數B

funA()
{
	//funB()之前的其他操作
	funB();
	//funB()之後的其他操作
}

執行過程：
 圖畫描述：

圖片來自：《嵌入式Linux應用開發手冊第2版》
 文字解釋：
  ①、在執行funA()中的funB()之前的其他操作的指令時，根據翻譯的彙編碼正常執行。
  ②、當funB()之前的其他操作的指令執行完畢後，進入到funB()函數中，此時
    ｛
      首先：把funB()之前的其他操作的指令的結果、數據、寄存器入棧，保存在程序A的棧中（瞬間完成）；
      之後：執行funB()函數，把結果、數據、寄存器入棧，保存在程序B的棧中；；
      最後：funB()函數執行完畢後（是否釋放B棧資源看具體程序），把棧A中保存的結果、數據、寄存器重新拿出來；
    ｝
  ③、執行funB()之後的其他操作的指令。

二、Linux對中斷處理的演進

1、中斷分類

  在Linux系統中，對中斷進行了拓展了，分爲你了硬件中斷和軟件中斷。

1.1 硬件中斷

  硬件中斷是一個異步信號，表明需要注意,，或需要改變在執行一個同步事件。硬件中斷是由與系統相連的外設(比如網卡 硬盤 鍵盤等)產生的.。

1.2 軟件中斷

  軟中斷的處理類似於硬中斷，但是軟中斷僅僅由當前運行的進程產生。

2、中斷處理原則

2.1 不能嵌套

  中斷處理函數需要調用 C 函數，這就需要用到棧。
  場景：假設中斷 A 正在處理的過程中，假設又發生了中斷 B，那麼在棧裏要保存 A 的現場，然後處理 B。在處理 B 的過程中又發生了中斷 C，那麼在棧裏要保存 B 的現場，然後處理 C。如果中斷嵌套突然暴發，那麼棧將越來越大，棧終將耗盡，系統會崩潰。
  所以，爲了防止這種情況發生，也是爲了簡單化中斷的處理，在 Linux 系統上中斷無法嵌套：即當前中斷 A 沒處理完之前，不會響應另一箇中斷 B(即使它的優先級更高)。
  拋轉：在中斷的下半部分可以相應其他中斷。
（參考資料：《嵌入式Linux應用開發手冊第2版》、https://blog.csdn.net/juS3Ve/article/details/81437432）

2.2 越快越好

  在單芯片系統中，假設中斷處理很慢，那應用程序在這段時間內就無法執行：系統顯得很遲頓。
在中斷的處理過程中，該 CPU 是不能進行進程調度的，所以中斷的處理要越快越好，儘早讓其他中斷能

3、中斷的上半部與下半部

  假如處理一箇中斷所消耗的時間過長，那麼對於整個系統來說，給人的感覺就是很卡頓的（特別是對於可視化應用），所以Linux就引出了中斷的上半部與下半部這個概念。

3.1 中斷的上半部

在關中斷（無法處理其他中斷）的狀態下，在關中斷下處理緊急的事情。

3.2 中斷的下半部

在開中斷（中斷允許打斷）的狀態下，處理非緊急的事情。

整個流程如下：假如在A中斷的下半部發生了B中斷，則B中斷結束後，回到A中斷下半部，此時A、B中斷的下半部，是彙集在一起處理的。

三、Linux中斷處理體系框架

1. 發生中斷時，CPU進入異常，執行異常向量vertor_irq的代碼。
2. 在vertor_irq中，最終會調用中斷處理的總入口函數asm_do_IRQ。
3. asm do IRQ根據中斷號調用 irq_desc數組項中的 handle_ irq。
4. handle irq會使用chip成員中的函數來設置硬件，比如清除中斷、禁止中斷、重新使能中斷等。
5. handle irq逐個調用用戶在 action鏈表中註冊的處理函數。

所以，在實際編程中，需要初始化構造這些數據結構，

• 比如 irq_desc數組項中的handle_ irq、chip等成員；
• 用戶註冊中斷時就是構造 action鏈表；
• 用戶卸載中斷時就是從 action鏈表中去除不需要的項。