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中断和中断处理(十)

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2023-12-01

终结篇

本文是 Linux 内核中断和中断处理的第十节。在上一节，我们了解了延后中断及其相关概念，如 softirq，tasklet，workqueue。本节我们继续深入这个主题，现在是见识真正的硬件驱动的时候了。

以 StringARM** SA-100/21285 评估板串行驱动为例，我们来观察驱动程序如何请求一个 IRQ 线，一个中断被触发时会发生什么之类的。驱动程序代码位于 drivers/tty/serial/21285.c 源文件。好啦，源码在手，说走就走！

一个内核模块的初始化

与本书其他新概念类似，为了考察这个驱动程序，我们从考察它的初始化过程开始。如你所知，Linux 内核为驱动程序或者内核模块的初始化和终止提供了两个宏：

  • module_init
  • module_exit

可以在驱动程序的源代码中查阅这些宏的用法:

module_init(serial21285_init);
module_exit(serial21285_exit);

大多数驱动程序都能编译成一个可装载的内核模块，亦或被静态地链入 Linux 内核。前一种情况下，一个设备驱动程序的初始化由 module_init 与 module_exit 宏触发。这些宏定义在 include/linux/init.h 中:

#define module_init(initfn)                                     \
        static inline initcall_t __inittest(void)               \
        { return initfn; }                                      \
        int init_module(void) __attribute__((alias(#initfn)));

#define module_exit(exitfn)                                     \
        static inline exitcall_t __exittest(void)               \
        { return exitfn; }                                      \
        void cleanup_module(void) __attribute__((alias(#exitfn)));

并被 initcall 函数调用：

  • early_initcall
  • pure_initcall
  • core_initcall
  • postcore_initcall
  • arch_initcall
  • subsys_initcall
  • fs_initcall
  • rootfs_initcall
  • device_initcall
  • late_initcall

这些函数又被 init/main.c 中的 do_initcalls 函数调用。然而，如果设备驱动程序被静态链入 Linux 内核，那么这些宏的实现则如下所示：

#define module_init(x)  __initcall(x);
#define module_exit(x)  __exitcall(x);

这种情况下，模块装载的实现位于 kernel/module.c 源文件中，而初始化发生在 do_init_module 函数内。我们不打算在本章深入探讨可装载模块的细枝末节，而会在一个专门介绍 Linux 内核模块的章节中窥其真容。话说回来，module_init 宏接受一个参数 - 本例中这个值是 serial21285_init。从函数名可以得知，这个函数做了一些驱动程序初始化的相关工作。请看：

static int __init serial21285_init(void)
{
	int ret;

	printk(KERN_INFO "Serial: 21285 driver\n");

	serial21285_setup_ports();

	ret = uart_register_driver(&serial21285_reg);
	if (ret == 0)
		uart_add_one_port(&serial21285_reg, &serial21285_port);

	return ret;
}

如你所见，首先它把驱动程序相关信息写入内核缓冲区，然后调用 serial21285_setup_ports 函数。该函数设置了 serial21285_port 设备的基本 uart 时钟：

unsigned int mem_fclk_21285 = 50000000;

static void serial21285_setup_ports(void)
{
	serial21285_port.uartclk = mem_fclk_21285 / 4;
}

此处的 serial21285 是描述 uart 驱动程序的结构体：

static struct uart_driver serial21285_reg = {
	.owner			= THIS_MODULE,
	.driver_name	= "ttyFB",
	.dev_name		= "ttyFB",
	.major			= SERIAL_21285_MAJOR,
	.minor			= SERIAL_21285_MINOR,
	.nr			    = 1,
	.cons			= SERIAL_21285_CONSOLE,
};

如果驱动程序注册成功，我们借助 drivers/tty/serial/serial_core.c 源文件中的 uart_add_one_port 函数添加由驱动程序定义的端口 serial21285_port 结构体，然后从 serial21285_init 函数返回：

if (ret == 0)
	uart_add_one_port(&serial21285_reg, &serial21285_port);

return ret;

到此为止，我们的驱动程序初始化完毕。当一个 uart 端口被 drivers/tty/serial/serial_core.c 中的 uart_open 函数打开，该函数会调用 uart_startup 函数来启动这个串行端口，后者会调用 startup 函数。它是 uart_ops 结构体的一部分。每个 uart 驱动程序都会定义这样一个结构体。在本例中，它是这样的：

static struct uart_ops serial21285_ops = {
	...
	.startup	= serial21285_startup,
	...
}

可以看到，.startup 字段是对 serial21285_startup 函数的引用。这个函数的实现是我们的关注重点，因为它与中断和中断处理密切相关。

请求中断线

我们来看看 serial21285_startup 函数的实现：

static int serial21285_startup(struct uart_port *port)
{
	int ret;

	tx_enabled(port) = 1;
	rx_enabled(port) = 1;

	ret = request_irq(IRQ_CONRX, serial21285_rx_chars, 0,
			  serial21285_name, port);
	if (ret == 0) {
		ret = request_irq(IRQ_CONTX, serial21285_tx_chars, 0,
				  serial21285_name, port);
		if (ret)
			free_irq(IRQ_CONRX, port);
	}

	return ret;
}

首先是TX和RX。一个设备的串行总线仅由两条线组成：一条用于发送数据，另一条用于接收数据。与此对应，串行设备应该有两个串行引脚：接收器 - RX 和发送器 - TX。通过调用 tx_enabled 和 rx_enalbed 这两个宏来激活这些线。函数接下来的部分是我们最感兴趣的。注意 request_irq 这个函数。它注册了一个中断处理程序，然后激活一条给定的中断线。看一下这个函数的实现细节。该函数定义在 include/linux/interrupt.h 头文件中，如下所示：

static inline int __must_check
request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
            const char *name, void *dev)
{
        return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);
}

可以看到，request_irq 函数接受五个参数：

  • irq - 被请求的中断号
  • handler - 中断处理程序指针
  • flags - 掩码选项
  • name - 中断拥有者的名称
  • dev - 用于共享中断线的指针

现在我们来考察 request_irq 函数的调用。可以看到，第一个参数是 IRQ_CONRX。我们知道它是中断号，但 CONRX 又是什么东西？这个宏定义在 arch/arm/mach-footbridge/include/mach/irqs.h 头文件中。我们可以在这里找到 21285 主板能够产生的全部中断。注意，在第二次调用 request_irq 函数时，我们传入了 IRQ_CONTX 中断号。我们的驱动程序会在这些中断中处理 RX 和 TX 事件。这些宏的实现很简单：

#define IRQ_CONRX               _DC21285_IRQ(0)
#define IRQ_CONTX               _DC21285_IRQ(1)
...
...
...
#define _DC21285_IRQ(x)         (16 + (x))

这个主板的 ISA 中断号分布在0到15这个范围内。因此，我们的中断号就是在此之后的头两个值：16 和 17。在 request_irq 函数的两次调用中，第二个参数分别是 serial21285_rx_chars 和 serial21285_tx_chars 函数。当一个 RX 或 TX 中断发生时，这些函数就会被调用。我们不会在此深入探究这些函数，因为本章讲述的是中断与中断处理，而并非设备和驱动。下一个参数是 flags，request_irq 函数的两次调用中，它的值都是零。所有合法的 flags 都在 include/linux/interrupt.h 中定义成诸如 IRQF_* 此类的宏。一些例子：

  • IRQF_SHARED - 允许多个设备共享此中断号
  • IRQF_PERCPU - 此中断号属于单独cpu的(per cpu)
  • IRQF_NO_THREAD - 中断不能线程化
  • IRQF_NOBALANCING - 此中断步参与irq平衡时
  • IRQF_IRQPOLL - 此中断用于轮询
  • 等等

这里，我们传入的是 0，也就是 IRQF_TRIGGER_NONE。这个标志是说，它不配置任何水平触发或边缘触发的中断行为。至于第四个参数(name)，我们传入 serial21285_name ，它定义如下：

static const char serial21285_name[] = "Footbridge UART";

它会显示在 /proc/interrupts 的输出中。针对最后一个参数，我们传入一个指向 uart_port 结构体的指针。对 request_irq 函数及其参数有所了解后，我们来看看它的实现。从上文可知，request_irq 函数内部只是调用了定义在 kernel/irq/manage.c 源文件中的 request_threaded_irq 函数，并分配了一个给定的中断线。该函数起始部分是 irqaction 和 irq_desc 的定义：

int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
                         irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,
                         const char *devname, void *dev_id)
{
        struct irqaction *action;
        struct irq_desc *desc;
        int retval;
		...
		...
		...
}

在本章，我们已经见识过 irqaction 和 irq_desc 结构体了。第一个结构体表示一个中断动作描述符，它包含中断处理程序指针，设备名称，中断号等等。第二个结构体表示一个中断描述符，包含指向 irqaction 的指针，中断标志等等。注意，request_threaded_irq 函数被 request_irq 调用时，带了一个额外的参数：irq_handler_t thread_fn。如果这个参数不为 NULL，它会创建 irq 线程，并在该线程中执行给定的 irq 处理程序。下一步，我们要做如下检查：

if (((irqflags & IRQF_SHARED) && !dev_id) ||
            (!(irqflags & IRQF_SHARED) && (irqflags & IRQF_COND_SUSPEND)) ||
            ((irqflags & IRQF_NO_SUSPEND) && (irqflags & IRQF_COND_SUSPEND)))
               return -EINVAL;

首先，我们确保共享中断时传入了真正的 dev_id(译者注：不然后面搞不清楚哪台设备产生了中断)，而且 IRQF_COND_SUSPEND 仅对共享中断生效。否则退出函数，返回 -EINVAL 错误。之后，我们借助 kernel/irq/irqdesc.c 源文件中定义的 irq_to_desc 函数将给定的 irq 中断号转换成 irq 中断描述符。如果不成功，则退出函数，返回 -EINVAL 错误：

desc = irq_to_desc(irq);
if (!desc)
    return -EINVAL;

irq_to_desc 函数检查给定的 irq 中断号是否小于最大中断号，并且返回中断描述符。这里，irq 中断号就是 irq_desc 数组的偏移量：

struct irq_desc *irq_to_desc(unsigned int irq)
{
        return (irq < NR_IRQS) ? irq_desc + irq : NULL;
}

由于我们已经把 irq 中断号转换成了 irq 中断描述符，现在来检查描述符的状态，确保我们可以请求中断：

if (!irq_settings_can_request(desc) || WARN_ON(irq_settings_is_per_cpu_devid(desc)))
    return -EINVAL;

失败则返回 -EINVAL 错误。接着，我们检查给定的中断处理程序(译者注：是指 handler 变量)。如果它没被传入 request_irq 函数，我们就检查 thread_fn。两个都是 NULL 则返回 -EINVAL。如果中断处理程序没有被传入 request_irq 函数而 thread_fn 不为空，则把 handler 设为 irq_default_primary_handler：

if (!handler) {
    if (!thread_fn)
        return -EINVAL;
	handler = irq_default_primary_handler;
}

下一步，我们通过 kzalloc 函数为 irqaction 分配内存，若不成功则返回：

action = kzalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_KERNEL);
if (!action)
    return -ENOMEM;

欲知 kzalloc 详情，请查阅专门介绍 Linux 内核内存管理的章节。为 irqaction 分配空间后，我们即对这个结构体进行初始化，设置它的中断处理程序，中断标志，设备名称等等：

action->handler = handler;
action->thread_fn = thread_fn;
action->flags = irqflags;
action->name = devname;
action->dev_id = dev_id;

在 request_threaded_irq 函数末尾，我们调用 kernel/irq/manage.c 中的 __setup_irq 函数，并注册一个给定的 irqaction。然后释放 irqaction 内存并返回：

chip_bus_lock(desc);
retval = __setup_irq(irq, desc, action);
chip_bus_sync_unlock(desc);

if (retval)
	kfree(action);

return retval;

注意，__setup_irq 函数的调用位于 chip_bus_lock 和 chip_bus_sync_unlock 函数之间。这些函数对慢速总线(如 i2c)芯片进行锁定／解锁。现在来看看 __setup_irq 函数的实现。__setup_irq 函数开头是各种检查。首先我们检查给定的中断描述符不为 NULL，irqchip 不为 NULL，以及给定的中断描述符模块拥有者不为 NULL。接下来我们检查中断是否嵌套在其他中断线程中。如果是的，我们则以 irq_nested_primary_handler 替换 irq_default_priamry_handler。

下一步，如果给定的中断不是嵌套的，并且 thread_fn 不为空，我们就通过 kthread_create 创建了一个中断处理线程。

if (new->thread_fn && !nested) {
	struct task_struct *t;
	t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-%s", irq, new->name);
	...
}

并在最后为给定的中断描述符的剩余字段赋值。于是，我们的 16 和 17 号中断请求线注册完毕。当一个中断控制器获得这些中断的相关事件时，serial21285_rx_chars 和serial21285_tx_chars 函数会被调用。现在我们来看一看一个中断发生时到底发生了什么。

准备处理中断

通过上文，我们观察了为给定的中断描述符请求中断号，为给定的中断注册 irqaction 结构体的过程。我们已经知道，当一个中断事件发生时，中断控制器向处理器通知该事件，处理器尝试为这个中断找到一个合适的中断门。如果你已阅读本章第八节，你应该还记得 native_init_IRQ 函数。这个函数会初始化本地 APIC。这个函数的如下部分是我们现在最感兴趣的地方：

for_each_clear_bit_from(i, used_vectors, first_system_vector) {
	set_intr_gate(i, irq_entries_start +
		8 * (i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR));
}

这里，我们从第 first_system_vector 位开始，依次向后迭代 used_vectors 位图中所有被清除的位：

int first_system_vector = FIRST_SYSTEM_VECTOR; // 0xef

并且设置中断门，i 是向量号，irq_entries_start + 8 * (i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR) 是起始地址。仅有一处尚不明了 - irq_entries_start。这个符号定义在 arch/x86/entry/entry_64.S 汇编文件中，并提供了 irq 入口。一起来看：

	.align 8
ENTRY(irq_entries_start)
    vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR
    .rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)
	pushq	$(~vector+0x80)
    vector=vector+1
	jmp	common_interrupt
	.align	8
    .endr
END(irq_entries_start)

这里我们可以看到 GNU 汇编器的 .rept 指令。这条指令会把 .endr 之前的这几行代码重复 FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR 次。我们已经知道 FIRST_SYSTEM_VECTOR 的值是 0xef，而 FIRST_EXTERNAL_VECTOR 等于 0x20。于是，它将运行：

>>> 0xef - 0x20
207

次。在 .rept 指令主体中，我们把入口程序地址压入栈中(注意，我们使用负数表示中断向量号，因为正数留作标识系统调用之用)，将 vector 变量加 1，并跳转到 common_interrupt 标签。在 common_interrupt 中，我们调整了栈中向量号，执行 interrupt 指令，参数是 do_IRQ：

common_interrupt:
	addq	$-0x80, (%rsp)
	interrupt do_IRQ

interrupt 宏定义在同一个源文件中。它把通用寄存器的值保存在栈中。如果需要，它还会通过 SWAPGS 汇编指令在内核中改变用户空间 gs 寄存器。它会增加 per-cpu 的 irq_count 变量，来表明我们处于中断状态，然后调用 do_IRQ 函数。该函数定义于 arch/x86/kernel/irq.c 源文件中，作用是处理我们的设备中断。让我们一起考察这个函数。do_IRQ 函数接受一个参数 - pt_regs 结构体，它存放着用户空间寄存器的值：

__visible unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
    struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
    unsigned vector = ~regs->orig_ax;
    unsigned irq;

	irq_enter();
    exit_idle();
	...
	...
	...
}

函数开头调用了 set_irq_regs 函数，后者返回被保存的 per-cpu 中断寄存器指针。然后又调用 irq_enter 和 exit_idle 函数。第一个函数 irq_enter 进入到一个中断上下文，更新 __preempt_count 变量。第二个函数 exit_idle 检查当前进程是否是 pid 为 0 的 idle 进程，然后把 IDLE_END 传送给 idle_notifier。

接下来，我们从当前 cpu 中读取 irq 值，并调用 handle_irq 函数：

irq = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);

if (!handle_irq(irq, regs)) {
	...
	...
	...
}
...
...
...

handle_irq 函数定义于 arch/x86/kernel/irq_64.c 源文件中，它检查给定的中断描述符，然后调用 generic_handle_irq_desc 函数：

desc = irq_to_desc(irq);
	if (unlikely(!desc))
		return false;
generic_handle_irq_desc(irq, desc);

该函数又调用中断处理程序：

static inline void generic_handle_irq_desc(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
{
       desc->handle_irq(irq, desc);
}

但是，停一停……handle_irq 是何方神圣，为什么在知道 irqaction 指向真正的中断处理程序的情况下，偏偏通过中断描述符调用我们的中断处理程序？实际上，irq_desc->handle_irq 是一个用来调用中断处理程序的上层 API。它在设备树 和 APIC 的初始化过程中就设定好了。内核通过它选择正确的函数以及 irq->actions(s) 的调用链。就这样，当一个中断发生时，serial21285_tx_chars 或者 serial21285_rx_chars 函数会被调用。

在 do_IRQ 函数末尾，我们调用 irq_exit 函数来退出中断上下文，调用 set_irq_regs 函数并传入先前的用户空间寄存器，最后返回：

irq_exit();
set_irq_regs(old_regs);
return 1;

我们已经知道，当一个 IRQ 工作结束之后，如果有延后中断，它们会被执行。

退出中断

好了，中断处理程序执行完毕，我们必须从中断中返回。在 do_IRQ 函数将工作处理完毕后，我们将回到 arch/x86/entry/entry_64.S 汇编代码的 ret_from_intr 标签处。首先，我们通过 DISABLE_INTERRUPTS 宏禁止中断，这个宏被扩展成 cli 指令，将 per-cpu 的 irq_count 变量值减 1。记住，当我们处于中断上下文的时候，这个变量的值是 1：

DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)
TRACE_IRQS_OFF
decl	PER_CPU_VAR(irq_count)

最后一步，我们检查之前的上下文(用户空间或者内核空间)，正确地恢复它，然后通过指令退出中断：

INTERRUPT_RETURN

此处的 INTERRUPT_RETURN 宏是：

#define INTERRUPT_RETURN	jmp native_iret

而

ENTRY(native_iret)

.global native_irq_return_iret
native_irq_return_iret:
	iretq

本节到此结束。

总结

这里是中断和中断处理 章节的第十节的结尾。如你在本节开头读到的那样，这是本章的最后一节。本章开篇阐述了中断理论，我们于是明白了什么是中断，中断的类型，然后也了解了异常以及对这种类型中断的处理，延后中断。最后在本节，我们考察了硬件中断和对这些中断的处理。当然，本节甚至本章都未能覆盖到 Linux 内核中断和中断处理的所有方面。这样并不现实，至少对我而言如此。这是一项浩大工程，不知你作何感想，对我来说，它确实浩大。这个主题远远超出本章讲述的内容，我不确定地球上能否找到一本书可以涵盖这个主题。我们漏掉了关于中断和中断处理的很多内容，但我相信，深入研究中断和中断处理相关的内核源码是个不错的点子。

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