Linux内核中断内部人员

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X86体系结构中的每个中断都分配有唯一的编号或向量（8位无符号整数）. 未屏蔽的中断和异常向量是固定的，而可屏蔽的中断向量可以通过对中断控制器进行编程来更改.

中断描述符表（IDT）是与每个中断或异常向量关联的系统表. 每个向量在表中存储相应中断或异常处理程序的入口地址. 内核必须在允许中断发生之前（即在系统初始化期间）将IDT表的初始化地址加载到idtr寄存器中，然后初始化表中的每个项目.

在实模式下，IDT由BIOS程序初始化和使用. 但是，一旦Linux开始接手，IDT被移至ARM的另一个区域，并进行了第二次初始化，因为Linux不使用任何BIOS程序，而是使用其自己的特殊中断服务程序（例程）（中断服务程序， ISR）. 中断和异常处理程序与常规C函数非常相似

有三个主要数据结构，其中包含与IRQ相关的所有信息: hw_interrupt_typelinux io中断编程，irq_desc_t和irqaction. 图3解释了它们之间的关系.

在X86系统中，对于两种不同类型的中断控制器8259A和I / O APIC，hw_interrupt_type结构被分配了不同的值. 具体差异请参见表2.

表2: 8259A和I / O APIC之间的区别PIC 8259AI / O APIC

static struct hw_interrupt_type i8259A_irq_type = {“ XT-PIC”，startup_8259A_irq，shutdown_8259A_irq，enable_8259A_irq，disable_8259A_irq，mask_and_ack_8259A，end_8259A_irq，NULL};

静态结构hw_interrupt_type ioapic_edge_type = {.typename =“ IO-APIC-edge” ,. startup = startup_edge_ioapic，.shutdown = shutdown_edge_ioapic，.enable = enable_edge_ioapic，.disable = disable_edge_ioapic，.ack = ack_edge_ioapic，io .set_affinity = set_ioapic_affinity，}；静态结构hw_interrupt_type ioapic_level_type = {.typename =“ IO-APIC级”，. startup = startup_level_ioapic，.shutdown = shutdown_level_ioapic，.enable = enable_level_ioapic，.disable = disable_level_ioapic，mask_io_ic end = end_level_ioapic，.set_affinity = set_ioapic_affinity，};

在中断初始化阶段，调用类型为hw_interrupt_type的变量来初始化irq_desc_t结构的句柄成员. 在早期的系统中，使用级联的8259A，因此将使用i8259A_irq_type进行初始化，对于SMP系统，将使用ioapic_edge_type或ioapic_level_type来初始化handle变量.

对于每个设备，中断处理程序都是静态（声明为static类型的全局变量）或动态（调用request_irq函数）向Linux内核注册的. 无论采用哪种注册方法，都将声明或分配irqaction结构（处理程序指向中断服务例程）linux io中断编程，然后调用setup_irq（）函数将irq_desc_t和irqaction关联起来.

发生中断时，可通过中断描述符表IDT获得中断服务程序入口地址. 对于32≤i≤255（i≠128）之间的中断向量，将执行push $ i-256，jmp common_interrupt指令. 然后将调用do_IRQ（）函数，将中断向量用作irq_desc []结构的下标，获取指向操作的指针，然后调用处理程序指向的中断服务例程.

从上面的描述中，我们可以轻松地看到整个中断过程，如图4所示:

本文的一位作者对2.6.10中断系统进行了方案分析. 有兴趣的读者可以联系作者以获得相关信息.

在SMP体系结构中，我们可以通过调用系统调用和一组相关的宏，将一个或多个进程绑定到一个或多个要运行的处理器来设置CPU亲和力. 中断在这方面并不弱，并且具有相同的特征. 中断相似性是指将一个或多个中断源绑定到特定的CPU以便运行. 中断亲和力最初是由Ingo Molnar设计和实现的.

在/ proc / irq目录中，对于已注册中断处理程序的硬件设备，此目录中将有一个以中断编号命名的目录IRQ#，并且在IRQ#目录中将有一个smp_affinity文件（SMP体系结构）. 文件仅可用），它是CPU的位掩码，可用于设置中断的相似性. 默认值为0xffffffff，表示该中断已发送到所有CPU进行处理. 如果中断控制器不支持IRQ关联性，则不能更改此默认值，并且不能关闭所有CPU位掩码，即不能将其设置为0x0.

我们以网卡（eth1，中断号为44）为例，在具有8个CPU的服务器上设置网卡中断的相关性（以下数据来自内核源文档\ IRQ-affinity.txt） :

[root@moon 44]# cat smp_affinity
ffffffff
[root@moon 44]# echo 0f > smp_affinity
[root@moon 44]# cat smp_affinity
0000000f
[root@moon 44]# ping -f h
PING hell (195.4.7.3): 56 data bytes
...
--- hell ping statistics ---
6029 packets transmitted, 6027 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.1/0.1/0.4 ms
[root@moon 44]# cat /proc/interrupts | grep 44:
 44:   0   1785   1785   1783   1783   1   1   0   IO-APIC-level   eth1
[root@moon 44]# echo f0 > smp_affinity
[root@moon 44]# ping -f h
PING hell (195.4.7.3): 56 data bytes
..
--- hell ping statistics ---
2779 packets transmitted, 2777 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.1/0.5/585.4 ms
[root@moon 44]# cat /proc/interrupts | grep 44:
 44:  1068  1785  1785  1784   1784   1069   1070   1069   IO-APIC-level  eth1
[root@moon 44]#

在上面的示例中，我们首先只允许中断CPU0〜3上的网卡，然后运行ping程序. 不难发现在CPU4〜7上没有处理网卡的中断. 然后仅在CPU4〜7上处理网卡的中断，CPU0〜3不处理网卡的任何中断. 运行ping程序后，再次检查/ proc / interrupts文件时，不难发现CPU4〜7上的中断数量已显着增加. 但是，CPU0〜3上的中断数没有太大变化.

在讨论中断相似性的原理之前，让我们首先了解I / O APIC的组成.

I / O APIC由一组24条IRQ线，一个24项的中断重定向表，一个可编程寄存器以及一个通过APIC总线发送和接收APIC信息的信息单元组成. 中断亲和力与中断重定向表密切相关. 中断重定向表中的每一项都可以单独编程以指示中断向量和优先级，目标处理器以及选择处理器的方式.

从表2中不难发现8259A和APIC中断控制器之间的最大区别是hw_interrupt_type类型变量的最后一项. 对于8259A类型，set_affinity设置为NULL，对于SMP APIC类型，set_affinity分配值set_ioapic_affinity.

在系统初始化期间，对于SMP架构，将调用setup_IO_APIC_irqs（）函数来初始化I / O APIC芯片，并填充芯片中的中断重定向表中的24个条目. 在系统启动期间，所有CPU都执行setup_local_APIC（）函数来完成本地APIC初始化. 触发中断时，将相应的中断重定向表中的值转换为一条消息，然后将该消息通过APIC总线发送到一个或多个本地APIC单元，以便可以将中断立即传递到特定的CPU ，或一组CPU或所有CPU，以实现中断关联.

当我们通过cat命令将CPU掩码写入smp_affinity文件时，此时的调用路由映射为: write（）-> sys_write（）-> vfs_write（）-> proc_file_write（）-> irq_affinity_write_proc（） -> set_affinity（）-> set_ioapic_affinity（）-> set_ioapic_affinity_irq（）-> io_apic_write（）;其中以中断号和CPU掩码作为参数调用set_ioapic_affinity_irq（）函数，然后继续调用io_apic_write（）修改相应的中断重定向该值以完成中断亲和力的设置. 当执行ping命令时，将触发网卡中断并生成一个中断信号. 根据中断重定向表和仲裁机制中的值，多APIC系统选择CPU 0〜3中的一个，并将信号传递给相应的本地APIC，本地APIC中断其CPU，并且不将整个事件通知给所有其他CPU.

在嵌入式领域，业界对实时Linux的要求越来越高，必须转换中断. 在Linux中，中断具有最高优先级. 无论何时，只要发生中断事件，内核都会立即执行相应的中断处理程序，并等待所有待处理的中断和软中断得到处理，然后才能执行正常任务，因此可能会导致实时任务无法及时处理. 中断线程化后，中断将作为内核线程运行，并被赋予不同的实时优先级. 实时任务可以比中断线程具有更高的优先级. 这样，可以对优先级最高的实时任务进行优先处理，即使在负载很重的情况下也可以保证实时性能.

当前，较新的Linux 2.6.17不支持中断线程. 但是，由Ingo Molnar设计和实现的实时补丁实现了中断线程. 最新的下载地址是:

〜mingo /实时抢占/ patch-2.6.17-rt9

以下是对中断线程的简要分析.

在初始化阶段，线程中断的中断与常规中断基本相同. 在start_kernel（）函数中，调用了两个函数trap_init（）和init_IRQ（）来初始化irq_desc_t结构. 在内核初始化期间创建init线程时，被中断的线程中断还将在init（）函数中调用init_hardirqs（内核/ irq / manage.c（已在上面修补））为每个IRQ创建一个内核线程具有最大的实数-50的实时优先级，以此类推，直到25，因此所有IRQ线程的最低实时优先级为25.

void __init init_hardirqs(void)
{
……
	for (i = 0; i < NR_IRQS; i++) {
		irq_desc_t *desc = irq_desc + i;
		if (desc->action && !(desc->status & IRQ_NODELAY))
			desc->thread = kthread_create(do_irqd, desc, "IRQ %d", irq);
    ……
	}
}
static int do_irqd(void * __desc)
{
    ……
	/*
	 * Scale irq thread priorities from prio 50 to prio 25
	 */
	param.sched_priority = curr_irq_prio;
	if (param.sched_priority > 25)
		curr_irq_prio = param.sched_priority - 1;
   ……
}

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