Linux 學習筆記 - 中斷.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除Linux 中斷1 介紹我們知道，處理器的處理速度比硬件來說要快上N個數(shù)量級，那么由處理器向硬件發(fā)出請求并等待回應的辦法顯然是不可取的，在這期間處理器浪費了大量的時間。這些時間應該被用來處理其他的事務。輪詢可能是解決辦法之一，但顯然這樣的辦法也會讓處理器做大量的無用功。最好的辦法，就是讓硬件在需要的時候才向內(nèi)核發(fā)出信號，然后處理器去響應硬件的請求。這就是中斷機制。1.1 什么是中斷當硬件需要和處理器通信時，會產(chǎn)生一個電信號（即中斷信號），并發(fā)往處理器，處理器收到后，會告訴OS，然后由OS進行后續(xù)處理。每一種硬件設備都有其專門的中斷值，OS得以通過這個來進行區(qū)分，到底是哪個設備發(fā)生了中斷。這些中斷值又被稱為中斷請求（IRQ）當然有的IRQ是動態(tài)分配的。其實OS關(guān)注的并不是某個設備一定要產(chǎn)生某個特定的IRQ，而是一個特定的IRQ要和一個特定的設備有映射的關(guān)系，而且OS需要知道這種關(guān)系。這就表明，即便是IRQ在多個設備之間進行共享也是可以的，只要OS能夠知道這些映射關(guān)系，并且能夠有辦法區(qū)分某一個時刻產(chǎn)生中斷的設備是哪一個即可。1.2 中斷處理程序中斷處理程序，顧名思義，自然就是發(fā)生中斷時，需要調(diào)用的處理函數(shù)。特點：、不是每設備一個處理程序，而是每中斷一個處理程序一個設備可以有多個中斷處理程序。、運行于特殊的上下文中：中斷上下文、一般的中斷處理程序，都會關(guān)中斷，考慮到中斷隨時都有可能發(fā)生，處理程序應當盡可能的高效、一般中斷處理程序都是要和硬件打交道的1.3 中斷上下文1.3.1 回憶進程上下文、 對內(nèi)核而言，處于進程上下文表明內(nèi)核處于這樣一種模式：進程在執(zhí)行（系統(tǒng)調(diào)用或者運行內(nèi)核線程）、 可以通過current宏關(guān)聯(lián)當前進程、 進程以進程上下文的形式關(guān)聯(lián)內(nèi)核，使得在進程上下文中可以睡眠，也可以調(diào)用調(diào)度程序。1.3.2 中斷上下文中斷上下文，則和進程上下文幾乎完全相反：和進程無關(guān)、和current宏無關(guān)不能睡眠、不能調(diào)用會導致睡眠的函數(shù)。另外，處于中斷上下文的代碼，應當迅速、簡潔，盡量把工作放到下半部中去完成。關(guān)于中斷使用的堆棧：2.6的內(nèi)核之前，中斷沒有自己的堆棧，而是與被中斷的內(nèi)核線程共享該線程的堆棧（2頁）。2.6之后，內(nèi)核增加了一個選項：每個內(nèi)核線程只提供一頁內(nèi)存，這減輕了內(nèi)存的壓力，也同時促使中斷被分離了出來：每處理器一頁，稱為中斷棧1.4 中斷的實現(xiàn)機制Linux中，中斷的處理機制是依賴于體系結(jié)構(gòu)的（處理器、中斷控制器、體系結(jié)構(gòu)的設計、機器本身）。下圖是中斷的路由1.5 關(guān)于中斷的下半部我們?yōu)槭裁葱枰掳氩?？因為我們要把中斷處理中需要做的工作區(qū)分開來：中斷處理程序中，只處理那些有嚴格時間限制的工作，比如復位硬件，對中斷進行應答等。而那些可以拖到后面做的，或者說有可能睡眠的處理，都應當放到下半部去處理這樣做的目的很顯然，就是讓中斷處理程序盡可能的簡潔明快在適當?shù)臅r機，下半部會開中斷執(zhí)行2 中斷控制為什么要控制中斷？控制中斷的原因，說到底還是為了要進行同步。通過禁止中斷，可以確保該中斷不會搶占當前運行的代碼。禁止中斷還可以禁止內(nèi)核搶占。需要注意的是，中斷都是對每處理器而言（中斷堆棧），也就是說，禁止中斷并不能夠保證自己使用的數(shù)據(jù)不會被其他處理器的并發(fā)進程所訪問到。因此如果在使用某些全局的數(shù)據(jù)時，需要考慮對其進行加鎖保護。即：鎖提供機制，防止來自其他處理器（當然也可以是本處理器）的并發(fā)訪問，中斷提供機制，防止來自其他中斷處理程序的并發(fā)訪問。2.1 禁止和激活中斷這里需要注意的是，內(nèi)核提供兩類接口：禁止/激活中斷，保存/恢復中斷狀態(tài)。前者比較傻瓜，會無條件的禁止/激活中斷，這需要使用者對當前的中斷狀態(tài)十分確定。而后者則相對更容易使用，免去了判斷另外關(guān)于cli()與sti(): 在2.5版本之前的內(nèi)核，提供“禁止所有處理器上的中斷”這樣的功能，現(xiàn)在已經(jīng)去掉了，需要開發(fā)人員用鎖來避免并發(fā)。這么做的好處是，是的代碼更加流線化，不會簇擁成團。而且使用粒度更細的鎖，會比全局鎖要效率高。2.2 禁止指定中斷線我們當然不用禁止全局的中斷，有時候禁止某一條中斷線就可以了，這是指：凡是在該中斷線上產(chǎn)生的中斷，都將不會報告給處理器。一般對于有多個中斷處理程序共享的中斷線，并不建議使用這個功能，因為這會導致這條線上的其他的設備無法傳遞中斷。2.3 中斷系統(tǒng)的狀態(tài)有時候我們需要判斷代碼所處的狀態(tài)：是否在中斷上下文中。因為有些操作是只有在進程上下文中才能夠進行的，比如睡眠。系統(tǒng)提供接口，來判斷中斷是否被禁止、是否處于中斷上下文、是否正在執(zhí)行中斷處理程序。3 下半部一般的中斷處理都會分為兩個部分，前面講到的中斷處理程序只是所謂的上半部，這是系統(tǒng)處理中斷不可或缺的一部分。但是由于中斷處理程序本身的局限，僅靠上半部是無法高效的處理系統(tǒng)的所有中斷的，這就需要下半部來提供支持。3.1 為什么需要下半部3.1.1 上半部的局限、 中斷處理程序異步執(zhí)行，且有可能打斷其他代碼，包括其他的中斷處理程序、 中斷處理程序執(zhí)行時，會禁止該中斷同級的其他中斷，甚至禁止全局所有中斷、 往往需要對硬件進行操作、 中斷處理程序在中斷上下文中運行，有很多限制以上幾點，就要求中斷處理程序不僅要簡潔、高效，而且對于阻塞這種行為也是不能支持的，這就導致上半部的限制很多。3.1.2 使用下半部、 處理中斷時，工作推后到下半部的原因，就是為了突破上面提到的局限性，要盡可能的將那些可以推后執(zhí)行的工作都放到下半部，提高系統(tǒng)的響應速度、 下半部何時被調(diào)用？這個跟中斷處理選擇用何種下半部機制有關(guān)，可以是推后一段時間，也可以是通過定時器、 下半部的特點：在進行處理的時候，隨時都有可能響應中斷、 除了Linux，很多其他的操作系統(tǒng)也采用了同樣的機制3.2 下半部介紹、 下半部的實現(xiàn)方式，在2.6的內(nèi)核中，有3種：軟中斷、tasklet、工作隊列。軟中斷用的比較少，只有有限的幾種使用場景，更多的是使用tasklet、 內(nèi)核定時器，同樣也能夠?qū)⒐ぷ魍坪笠欢螘r間（精確的）進行3.3 軟中斷3.3.1 軟中斷的實現(xiàn)、 軟中斷是在內(nèi)核編譯期間靜態(tài)分配的，不能夠動態(tài)裁剪。系統(tǒng)定義了一個32個元素的數(shù)組，但是目前只用到了寥寥幾個。多數(shù)還是通過tasklet來實現(xiàn)、 軟中斷不會搶占相同處理器上的其他軟中斷，軟中斷會被中斷給打斷、 軟中斷的執(zhí)行：中斷處理程序在返回之前，將對應的軟中斷進行標記（觸發(fā)軟中斷），然后系統(tǒng)會在合適的時機檢查該標記，并執(zhí)行軟中斷（從中斷處理程序返回時、在ksoftirqd內(nèi)核線程中、顯示檢查與處理軟中斷的代碼）。3.3.2 軟中斷的使用、 軟中斷是給系統(tǒng)中對時間要求最嚴格，以及最重要的下半部來使用。目前只有兩個子系統(tǒng)在使用：網(wǎng)絡子系統(tǒng)以及SCSI子系統(tǒng)、 執(zhí)行軟中斷處理程序的時候，能夠相應中斷，但自己不能睡眠、 軟中斷雖然可以禁止本處理器上的同類軟中斷，但是對不同處理器的同類軟中斷是沒有限制的（這就意味著潛在的數(shù)據(jù)并發(fā)訪問）。因此我們需要考慮同步（加鎖、或者使用每處理器數(shù)據(jù)）、 對于軟中斷，只有執(zhí)行頻率很高，連續(xù)性要求很高的情況下，才考慮使用3.4 Tasklet3.4.1 tasklet的實現(xiàn)、 tasklet的實現(xiàn)是基于軟中斷的，所以其本身也是軟中斷、 tasklet可以靜態(tài)定義，也可以動態(tài)創(chuàng)建3.4.2 tasklet的調(diào)度、 已觸發(fā)的tasklet，分為兩類：普通優(yōu)先級 / 高優(yōu)先級的軟中斷（前面提到過）、 Tasklet調(diào)度函數(shù)首先檢查狀態(tài)，若已經(jīng)被調(diào)度過一次，則立刻返回、 保存中斷狀態(tài)，禁止本地中斷、 設置tasklet需要處理的標記并開中斷、 在合適的時候，執(zhí)行do_softirq(),通過內(nèi)部調(diào)用，獲取對應狀態(tài)的tasklet鏈表，對每一個tasklet進行處理：如果是RUN狀態(tài)，則跳過同一時間內(nèi)，同樣的tasklet只有一個能夠執(zhí)行，否則標記為RUN并執(zhí)行之，執(zhí)行后取消RUN的狀態(tài)標記總的來說：每一個tasklet都重復設置HI_SOFTIRQ / TASKLET_SOFTIRQ這2個軟中斷進行，當一個tasklet被調(diào)度時，某一類軟中斷被喚醒并被特殊的處理函數(shù)進行處理，該函數(shù)處理執(zhí)行所有被觸發(fā)的tasklet（不同類型的tasklet可以同時執(zhí)行，同類的則只能有一個）3.4.3 tasklet的使用、 tasklet的使用比較簡單，步驟就是創(chuàng)建（靜/動）、注冊自己的處理函數(shù)、調(diào)度、或者從待運行鏈表中刪除、 注意你的處理函數(shù)中，不應該使用信號量，不應該進行睡眠、 注意對和其他類型tasklet、軟中斷等進行了共享的數(shù)據(jù)進行加鎖保護3.4.4 關(guān)于ksoftirqd內(nèi)核線程問題描述：軟中斷與tasklet（實際上也是軟中斷），被觸發(fā)的頻率實際上是相當高的，而且軟中斷自己還會重新觸發(fā)軟中斷（比如網(wǎng)絡子系統(tǒng)），這么一來就很有可能導致用戶空間甚至得不到處理器時間，長時間處于饑餓狀態(tài)兩個簡單的方案：一是只要還有被觸發(fā)的待處理的軟中斷，本次執(zhí)行就要負責處理，中途觸發(fā)的軟中斷也要處理。二是不處理重新觸發(fā)的軟中斷，等到下一次執(zhí)行。上述兩個方案的不足：前者在系統(tǒng)負載很高的時候，軟中斷會被不停的觸發(fā)，以至于用戶空間幾乎都得不到響應；后者雖然保證了用戶進程不會挨餓，但是卻犧牲了軟中斷的性能，在系統(tǒng)空閑時沒有充分利用系統(tǒng)資源ksoftirqd/n 線程：這組內(nèi)核線程是上述兩種方案的最后折中產(chǎn)物，該線程每處理器一個，并以最低nice值運行。內(nèi)核在每次執(zhí)行軟中斷時，都不會處理重新觸發(fā)的軟中斷，該工作由ksoftirqd線程進行。當負載較高時，其他線程由于優(yōu)先級較高，自然能夠獲取處理器資源；相反當系統(tǒng)較空閑時，ksoftirqd線程能被立刻調(diào)度，那么軟中斷也就可以被立刻執(zhí)行。下面是ksoftirqd：3.5 工作隊列3.5.1 原理與實現(xiàn)、 工作隊列是內(nèi)核提供的第三種下半部機制，與前兩種有所不同，最主要的區(qū)別就是工作隊列將工作推后給一個內(nèi)核線程events/n去執(zhí)行。意味著可以進行睡眠，意味著當需要信號量、阻塞、大量內(nèi)存時，工作隊列應該是你的首選、 每個處理器都會有一個工作者線程，也同時對應一個workque_struct，用戶將需要進行處理的工作掛到工作隊列中，當線程被調(diào)用，則會判斷工作隊列是否為空，為空則睡眠，否則執(zhí)行隊列中的任務、 工作者隊列一般只有系統(tǒng)默認的event類型，對應到系統(tǒng)中是每個處理器一個events線程。如果要增加工作隊列類型，那么會導致增加處理器個數(shù)個內(nèi)核線程，所以增加類型一定要慎重3.5.2 使用工作隊列、 可以通過靜態(tài)方式（DECLARE_WORK）或者動態(tài)方式（INIT_WORK）定義自己的工作隊列、 處理函數(shù)雖然運行在進程上下文，但不應該訪問用戶空間的數(shù)據(jù)、 默認情況下，處理函數(shù)允許響應中斷，不持有任何鎖，可以在需要的時候進行睡眠、 調(diào)度工作隊列時，可以簡單指明需要調(diào)度，也可以具體指明經(jīng)過多少時鐘節(jié)拍后再進行調(diào)度。同時，內(nèi)核也提供了刷新工作隊列的接口（睡眠等待所有工作完成），有時候會需要這樣的刷新操作來確保不再有待處理的工作、 如果有需要，可以定義新的工作隊列類型3.6 下半部之間加鎖、 不同類tasklet之間需要考慮數(shù)據(jù)的同步、 軟中斷之間需要考慮數(shù)據(jù)同步、 進程上下文與下半部共享數(shù)據(jù)，在訪問數(shù)據(jù)前，要禁止下半部處理，并獲取鎖、 中斷上下文與下半部共享數(shù)據(jù)，在訪問數(shù)據(jù)前，要禁止中斷，并獲取鎖、 工作隊列由于可能睡眠，也需要考慮數(shù)據(jù)同步4 實現(xiàn)自己的中斷我們可以在系統(tǒng)中添加屬于自己的中斷處理，包括中斷處理程序以及可能需要的下半部。4.1 注冊中斷處理程序在編寫中斷處理程序之前，需要申請中斷線，并且注冊自己的處理函數(shù)。這里需要注意的有：中斷線是可以多個設備共享的，當共享中斷線時，通過設備id來進行區(qū)分；初始化硬件和注冊中斷處理函數(shù)的順序要對，避免在硬件初始化之前就開始執(zhí)行中斷處理程序。4.2 編寫中斷處理程序、 通常標記為static、 至少也要通知硬件，中斷已經(jīng)收到、 對于較復雜的設備，可能需要發(fā)送、接受數(shù)據(jù)，甚至做一些擴展工作、 擴展工作應當盡量放到下半部、 一般會在處理程序中先關(guān)中斷，所以可以不用考慮重入（中斷的嵌套，只會是不同類型的中斷）、 如果訪問其他共享數(shù)據(jù)，比如和其他高優(yōu)先級中斷處理程序共享的數(shù)據(jù)時，要考慮同步問題、 多個設備可以共享