深入分析Linux中断子系统之通用框架处理

　　说明：Kernel版本：4.14 ARM64处理器，Contex-A53，双核 使用工具：Source Insight 3.5， Visio 1. 概述
　　深入分析Linux中断子系统之中断控制器及驱动讲到了底层硬件GIC驱动，以及Arch-Specific的中断代码，本文将研究下通用的中断处理的过程，属于硬件无关层。当然，我还是建议你看一下上篇文章。
　　这篇文章会解答两个问题： 用户是怎么使用中断的（ 中断注册 ）？外设触发中断信号时，最终是怎么调用到中断handler的（ 中断处理 ）？2. 数据结构分析
　　先来看一下总的数据结构，核心是围绕着 struct irq_desc 来展开：
　　Linux内核的中断处理，围绕着中断描述符结构 struct irq_desc 展开，内核提供了两种中断描述符组织形式：打开 CONFIG_SPARSE_IRQ 宏（中断编号不连续），中断描述符以radix-tree 来组织，用户在初始化时进行动态分配，然后再插入radix-tree 中；关闭 CONFIG_SPARSE_IRQ 宏（中断编号连续），中断描述符以数组的形式组织，并且已经分配好；不管哪种形式，都可以通过 linux irq 号来找到对应的中断描述符；图的左侧灰色部分，主要在中断控制器驱动中进行初始化设置，包括各个结构中函数指针的指向等，其中 struct irq_chip 用于对中断控制器的硬件操作，struct irq_domain 与中断控制器对应，完成的工作是硬件中断号到Linux irq 的映射；图的上侧灰色部分，中断描述符的创建（这里指 CONFIG_SPARSE_IRQ ），主要在获取设备中断信息的过程中完成的，从而让设备树中的中断能与具体的中断描述符irq_desc 匹配；图中剩余部分，在设备申请注册中断的过程中进行设置，比如 struct irqaction 中handler 的设置，这个用于指向我们设备驱动程序中的中断处理函数了；
　　中断的处理主要有以下几个功能模块： 硬件中断号到 Linux irq 中断号的映射，并创建好irq_desc 中断描述符；中断注册时，先获取设备的中断号，根据中断号找到对应的 irq_desc ，并将设备的中断处理函数添加到irq_desc 中；设备触发中断信号时，根据硬件中断号得到 Linux irq 中断号，找到对应的irq_desc ，最终调用到设备的中断处理函数；
　　上述的描述比较简单，更详细的过程，往下看吧。
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　　3. 流程分析3.1 中断注册
　　这一次，让我们以问题的方式来展开：先来让我们回答第一个问题：用户是怎么使用中断的？ 熟悉设备驱动的同学应该都清楚，经常会在驱动程序中调用 request_irq() 接口或者request_threaded_irq() 接口来注册设备的中断处理函数；request_irq()/request_threaded_irq 接口中，都需要用到irq ，也就是中断号，那么这个中断号是从哪里来的呢？它是Linux irq ，它又是如何映射到具体的硬件设备的中断号的呢？
　　先来看第二个问题：设备硬件中断号到 Linux irq 中断号的映射
　　硬件设备的中断信息都在设备树 device tree 中进行了描述，在系统启动过程中，这些信息都已经加载到内存中并得到了解析；驱动中通常会使用 platform_get_irq 或irq_of_parse_and_map 接口，去根据设备树的信息去创建映射关系（硬件中断号到linux irq 中断号映射）；深入分析Linux中断子系统之中断控制器及驱动提到过struct irq_domain 用于完成映射工作，因此在irq_create_fwspec_mapping 接口中，会先去找到匹配的irq domain ，再去回调该irq domain 中的函数集，通常irq domain 都是在中断控制器驱动中初始化的，以ARM GICv2 为例，最终回调到gic_irq_domain_hierarchy_ops 中的函数；如果已经创建好了映射，那么可以直接进行返回 linux irq 中断号了，否则的话需要irq_domain_alloc_irqs 来创建映射关系；irq_domain_alloc_irqs 完成两个工作：针对 linux irq 中断号创建一个irq_desc 中断描述符；调用 domain->ops->alloc 函数来完成映射，在ARM GICv2 驱动中对应gic_irq_domain_alloc 函数，这个函数很关键，所以下文介绍一下；
　　gic_irq_domain_alloc 函数如下：
　　gic_irq_domain_translate ：负责解析出设备树中描述的中断号和中断触发类型（边缘触发、电平触发等）；gic_irq_domain_map ：将硬件中断号和linux中断号绑定到一个结构中，也就完成了映射，此外还绑定了irq_desc 结构中的其他字段，最重要的是设置了irq_desc->handle_irq 的函数指针，这个最终是中断响应时往上执行的入口，这个是关键，下文讲述中断处理过程时还会提到；根据硬件中断号的范围设置 irq_desc->handle_irq 的指针，共享中断入口为handle_fasteoi_irq ，私有中断入口为handle_percpu_devid_irq ；
　　上述函数执行完成后，完成了两大工作： 硬件中断号与Linux中断号完成映射，并为Linux中断号创建了 irq_desc 中断描述符；数据结构的绑定及初始化，关键的地方是设置了中断处理往上执行的入口；
　　再看第一个问题：中断是怎么来注册的？
　　设备驱动中，获取到了 irq 中断号后，通常就会采用request_irq/request_threaded_irq 来注册中断，其中request_irq 用于注册普通处理的中断，request_threaded_irq 用于注册线程化处理的中断；
　　在讲具体的注册流程前，先看一下主要的中断标志位： #define IRQF_SHARED		0x00000080              //多个设备共享一个中断号，需要外设硬件支持 #define IRQF_PROBE_SHARED	0x00000100              //中断处理程序允许sharing mismatch发生 #define __IRQF_TIMER		0x00000200               //时钟中断 #define IRQF_PERCPU		0x00000400               //属于特定CPU的中断 #define IRQF_NOBALANCING	0x00000800               //禁止在CPU之间进行中断均衡处理 #define IRQF_IRQPOLL		0x00001000              //中断被用作轮训 #define IRQF_ONESHOT		0x00002000              //一次性触发的中断，不能嵌套，1）在硬件中断处理完成后才能打开中断；2）在中断线程化中保持关闭状态，直到该中断源上的所有thread_fn函数都执行完 #define IRQF_NO_SUSPEND		0x00004000      //系统休眠唤醒操作中，不关闭该中断 #define IRQF_FORCE_RESUME	0x00008000              //系统唤醒过程中必须强制打开该中断 #define IRQF_NO_THREAD		0x00010000      //禁止中断线程化 #define IRQF_EARLY_RESUME	0x00020000      //系统唤醒过程中在syscore阶段resume，而不用等到设备resume阶段 #define IRQF_COND_SUSPEND	0x00040000      //与NO_SUSPEND的用户共享中断时，执行本设备的中断处理函数
　　request_irq 也是调用request_threaded_irq ，只是在传参的时候，线程处理函数thread_fn 函数设置成NULL；由于在硬件中断号和Linux中断号完成映射后， irq_desc 已经创建好，可以通过irq_to_desc 接口去获取对应的irq_desc ；创建 irqaction ，并初始化该结构体中的各个字段，其中包括传入的中断处理函数赋值给对应的字段；__setup_irq 用于完成中断的相关设置，包括中断线程化的处理：中断线程化用于减少系统关中断的时间，增强系统的实时性； ARM64默认开启了 CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING ，引导参数传入threadirqs 时，则除了IRQF_NO_THREAD 外的中断，其他的都将强制线程化处理；中断线程化会为每个中断都创建一个内核线程，如果中断进行共享，对应 irqaction 将连接成链表，每个irqaction 都有thread_mask 位图字段，当所有共享中断都处理完成后才能unmask 中断，解除中断屏蔽；3.2 中断处理
　　当完成中断的注册后，所有结构的组织关系都已经建立好，剩下的工作就是当信号来临时，进行中断的处理工作。
　　来回顾一下深入分析Linux中断子系统之中断控制器及驱动 中的Arch-specific 处理流程：
　　中断收到之后，首先会跳转到异常向量表的入口处，进而逐级进行回调处理，最终调用到 generic_handle_irq 来进行中断处理。
　　generic_handle_irq 处理如下图：
　　generic_handle_irq 函数最终会调用到desc->handle_irq() ，这个也就是对应到上文中在建立映射关系的过程中，调用irq_domain_set_info 函数，设置好了函数指针，也就是handle_fasteoi_irq 和handle_percpu_devid_irq ；handle_fasteoi_irq ：处理共享中断，并且遍历irqaction 链表，逐个调用action->handler() 函数，这个函数正是设备驱动程序调用request_irq/request_threaded_irq 接口注册的中断处理函数，此外如果中断线程化处理的话，还会调用__irq_wake_thread() 唤醒内核线程；handle_percpu_devid_irq ：处理per-CPU中断处理，在这个过程中会分别调用中断控制器的处理函数进行硬件操作，该函数调用action->handler() 来进行中断处理；
　　来看看中断线程化处理后的唤醒流程吧 __handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread ：
　　__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread 将唤醒irq_thread 中断内核线程；irq_thread 内核线程，将根据是否为强制中断线程化对函数指针handler_fn 进行初始化，以便后续进行调用；irq_thread 内核线程将while(!irq_wait_for_interrupt) 循环进行中断的处理，当满足条件时，执行handler_fn ，在该函数中最终调用action->thread_fn ，也就是完成了中断的处理；irq_wait_for_interrupt 函数，将会判断中断线程的唤醒条件，如果满足了，则将当前任务设置成TASK_RUNNING 状态，并返回0，这样就能执行中断的处理，否则就调用schedule() 进行调度，让出CPU，并将任务设置成TASK_INTERRUPTIBLE 可中断睡眠状态；3.3 总结
　　中断的处理，总体来说可以分为两部分来看： 从上到下：围绕 irq_desc 中断描述符建立好连接关系，这个过程就包括：中断源信息的解析（设备树），硬件中断号到Linux中断号的映射关系、irq_desc 结构的分配及初始化（内部各个结构的组织关系）、中断的注册（填充irq_desc 结构，包括handler处理函数）等，总而言之，就是完成静态关系创建，为中断处理做好准备；从下到上，当外设触发中断信号时，中断控制器接收到信号并发送到处理器，此时处理器进行异常模式切换，并逐步从处理器架构相关代码逐级回调。如果涉及到中断线程化，则还需要进行中断内核线程的唤醒操作，最终完成中断处理函数的执行。
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