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Linux中断管理

CPU和外设之间的交互,或CPU通过轮询机制查询,或外设通过中断机制主动上报。

对大部分外设中断比轮询效率高,但比如网卡驱动采取轮询比中断效率高。

这里重点关注ARM+Linux组合下中断管理,从底层硬件GIC+CPU,到Linux内核通用部分处理,再到GIC驱动以及中断注册,最后是中断下半部软终端、tasklet、workqueue,包括线程化部分。

所以按照从硬件到软件,软件从底层到上层的框架去介绍。

 

0. 目录

Linux中断管理

Linux中断管理 (1)Linux中断管理机制

Linux中断管理 (2)软中断和tasklet

Linux中断管理 (3)workqueue工作队列

 

1. 思考问答

  • 发生硬件中断后,ARM处理器做了哪些事情?

 SoC内部中断控制器会感知到中断信号,中断控制器里的仲裁单元(Distributor)会在众多CUP核心中选择一个,并把该中断分发给CPU核心。

GIC控制器和CPU核心之间通过一个nIRQ信号来通知CPU。

CPU核心感知到中断发生之后,硬件会自动做如下一些事情:

  • 保存中断发生时CPSR寄存器的内容到SPSR_irq寄存器中
  • 修改CPSR寄存器,让CPU进入处理器模式中的IRQ模式,即CPSR寄存器中的M域设置为IRQ Mode
  • 硬件自动关闭中断IRQ或FIQ,即CPSR中的IRQ位或FIQ位置1
  • 保存返回地址到LR_irq寄存器中
  • 硬件自动跳转到中断向量表的IRQ向量中
  • 硬件中断号和Linux内核的IRQ中断号是如何映射的?

 硬件中断号的映射是在系统启动过程中接卸DTS,然后经由irq_domain_alloc_irqs()完成映射到Linux中断号。

中断发生后,根据硬件中断号经由irq_find_mapping()找到Linux软中断号。

  • 一个硬件中断发生后,Linux内核如何响应并处理该中断?

一个硬件发生后,LInux软件的起点是中断向量表vector_irq

vector_irq根据中断发生时状态决定是进入用户空间__irq_svc还是内核空间__irq_svc

两者主要工作都交给irq_handler处理,irq_handler调用中断控制器处理函数gic_handle_irq()。

gic_handle_irq()根据读取到的硬件中断号转换成Linux中断号,然后进行特定中断处理。

 

从中断返回时,还需要实现如下两个操作:

  • 从SPSR_irq寄存器中恢复数据到CPSR中
  • 从LR_irq中回复内容到PC中,从而返回到中断点的下一个指令处执行。
  • 为什么说中断上下文不能执行睡眠操作?

所谓的睡眠,就是调用schedule()让出CPU,调度器选择另外一个进程继续执行,这个过程涉及进程栈空间的切换。

如果中断上下文中调用schedule(),此时获取的struct thread_info数据结构是发生中断是该进程栈信息,而不是中断上下文调用schedule()时任何信息。

这就导致再也无法返回中断上下文中调用schedule()的地方。

 

另一个原因是,中断上下文处于关中断中,需要发送一个EOI通知GIC中断处理结束,GIC和CPU Interface才会进入下一次中断处理。如果中途schedule(),那么整个系统的中断都会被屏蔽掉。

  • 软中断的回调函数执行过程中是否允许响应本地中断?

软中断回调函数执行处于开中断环境下,所以允许响应本地中断。

具体参考__do_softirq(),在执行h->action()前打开本地中断,完成后关闭中断。

  • 同一类型的软中断是否允许多个CPU并行执行?

 同一类型的软中断可以在多个CUP并发执行,因为软中断处理函数是可重入的,自身对数据进行了保护。

  • 软中断上下文包括哪几种情况?

中断上下文包括硬中断上下文和软中断上下文,当然也包括NMI上下文。

软中断上下文包括三部分:

一是在下半部执行的软中断处理包括tasklet,调用过程是irq_exit()->invoke_softirq();

二是ksoftirqd内核线程执行的软中断,比如强制中断线程化force_threads,或者软中断执行时间太长仅为唤醒ksoftirqd内核线程;

三是进程上下文中调用local_bh_enable()时也会去执行软中断处理,调用过程是local_bh_enable()->do_softirq()。

一属于传统意义的中断上下文,二、三运行在进程上下文中,但三者统称为软中断上下文。

  • 软中断上下文和进程上下文哪个优先级高?为什么?

软中断上下文优先级高于进程上下文,因此软中断包括tasklet总是抢占进程的运行。参见irq_exit()退出中断时优先执行softirq。

比如当进程A在运行时发生中断,在中断返回时如果不处于中断上下文且有pending的softirq时,优先执行软中断包括tasklet。

然后采取检查是否有高优先级任务需要签章中断点的进程。

 

这样导致的危害是:如果执行软中断或者tasklet事件过长,那么高优先级任务就长时间得不到运行,严重影响系统的实时性。

这也是RT补丁强制将softirq处理函数线程化的原因。

 

 

  • 是否允许同一个tasklet在多个CPU上并行执行?

 不允许同一个tasklet同时在多个CPU并发执行,taskelt必须固定在一个CPU上串行执行。

因为tasket被挂入到per-cpu的taskelt_vec中,并且设置TASKLET_STATE_SCHED标志位,那么只能由该CPU来执行。

直到执行完毕并清除了TASKLET_STATE_SCHED后,其它CPU才有机会执行。

  • workqueue试运行在中断上下文,还是进程上下文?其回调函数允许睡眠吗?

 

  • 旧版本(Linux 2.6.25)的workqueue机制在实际过程中遇到了哪些问题和挑战?

 

  • CMWQ机制如何动态管理工作线程池的线程呢?

 

  • 如果有多个work挂入一个工作线程中执行,当某个work的回调函数执行了阻塞操作,那么剩下的work该怎么办?

 

联系方式:arnoldlu@qq.com

posted on 2018-05-06 22:00  ArnoldLu  阅读(4431)  评论(1编辑  收藏  举报

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