向下之旅（八）：中断和中断处理程序（一）

　　Linux内核要对连接到计算机上的所有硬件设备进行管理，而想要管理这些硬件设备，首先要与它们互通音信才行。但是处理器的速度要远大于外围硬件设备的速度，一般可以让处理器采用轮询的方式不停的对设备的状态进行查询，更好的办法是让硬件设备在需要的时候再向内核发出信号，让处理器主动变为硬件主动，此为中断机制。

　　中断

　　硬件通过中断与处理器通信，例如，当你敲打键盘的时候，键盘控制器（控制键盘的硬件配备）就会给处理器发送一个中断，通知操作系统有键按下。中断本质是一种电信号，由硬件设备发向处理器，处理器接受到中断后，会马上向操作系统反映此信号的到来，然后由OS负责处理这些发送过来的数据。硬件设备生成中断的时候并不考虑与处理器的时钟同步，因此，内核随时可能因为新到来的中断而被打断。

　　不同设备对应的中断不同，而美国而中断都通过一个唯一的数字标识，从而使得操作系统能对中断进行区分，并作出相应的处理。

　　这些中断通常被称为中断请求（IRQ）线。通常IRQ都是一些数值量——如，在PC上IRQ0是时钟中断，IRQ1是键盘中断。并非所有的中断号都是这样严格定义的，对于链接在PCI总线上的设备而言，中断是动态分配的。其他非PC的体系结构也具有动态分配可用中断的特性。重点是特定的中断总是与特定的设备相关联，并且内核要知道这些信息。

　　异常

　　异常与中断不同，它在产生是必须考虑与处理器时钟同步，即异常常常被称为同步中断。当处理器执行到由于编程导致的错误时，或者执行期间出现特殊情况（缺页），处理器就会产生一个异常。之前熟悉的一种异常：在x86体系结构上如何通过软中断实现系统调用，那就是陷入内核，然后引起一种特殊的异常——系统调用处理程序异常。中断的工作方式与其类似，其差异只在于中断是由硬件而不是软件引起的。

　　中断处理程序

　　在处理一个中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序或中断服务例程。如果一个设备能产生一个或多个中断，那么该设备就对应多个中断处理程序。通常中断处理程序不是和特定的设备关联，而是和特定的中断关联。相应的，该设备也就需要准备多个这样的函数。一个设备的中断处理程序是它设备驱动程序的一部分——设备驱动程序是用于对设备进行管理的内核代码。

　　中断处理程序与其他内核函数真的的区别在于：中断处理程序是被内核调用来响应中断的，他们运行于中断上下文的特殊上下文中。中断随时可能发生，因此中断处理程序也就能随时可能运行。所以必须保证中断处理程序能够快速执行，这样才能保证尽可能快地回复中断代码的执行。因此，尽管对硬件而言，迅速对其中断进行服务非常重要，但是对系统其他部分而言，让中断处理程序尽可能短的时间内完成也同样重要，但是又希望它来完成大量的其他工作。因此有了上半部和下半部。

　　上半部与下半部对比

　　又想程序运行的快，又想程序完成的工作量多，所以我们一般把中断处理切为两个部分或两半。中断处理程序是上半部。——收到一个中断立即执行，但只做有严格时限的工作，能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部去。此后，在合适的时机，下半部会被开始中断执行。

　　注册中断处理程序

　　中断处理程序是管理硬件的驱动程序的组成部分，每一个设备都有相关的驱动程序，如果设备使用中断（大部分设备如此），那么相应的驱动程序就注册一个中断处理程序。驱动程序通过以下函数注册并激活一个中断处理程序，以便处理中断：

 

第一个参数irq表示要分配的中断号。可写死，如PC设备的系统时钟或键盘。也可动态确定。第二个参数是handler是一个指针，指向处理这个中断的实际中断处理程序。只要操作系统一接收到中断，该函数就被调用。第三个参数irqflags可以为0，也可设置某种标志的位掩码（SA_INTERRUPT,SA_SAMPLE_RANDOM,SA_SHIRQ）。第四个参数devname是与中断相关的设备的ASCII文本表示法。例如，PC机上键盘中断对应的这个值是“keyboard”。第五个参数dev_id主要用于共享中断线。如果无需共享中断线，则将该值赋NULL就可以了。当一个中断处理程序需要释放时，dev_id将提供唯一的标志信息，以便从共享中断线的众多中断处理程序中删除指定的那一个。

　　request_irq成功执行返回0，如果返回非0值，就表示有错误发生。最常见的错误是-EBUSY，它表示给定的中断线已经在使用（或者当前用户或者你没有指定SA_SHIRQ）。该函数可能会睡眠，不能在中断上下文或其他不允许阻塞的代码中调用该函数。

　　在一个驱动程序中请求一个中断线，并在通过request_irq()安装中断处理程序。

　　

在这个例子中，irqn是请求的中短线，my_interrupt是中断处理程序，中断线可以共享，设备名为”my_device“，而且通过dev_id传递到dev结构体。如果请求失败，那么这段代码将打印出一个错误并返回。如果调用返回0，则说明处理程序已经安装成功。

　　释放中断处理程序

　　卸载驱动程序时，需要注销相应的中断处理程序，并释放中断线，可以通过void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)来释放中断线。

　　若指定的中断线不是共享的，那么该函数删除处理程序的同时将禁用这条中断线。若是共享的，则仅仅删除dev_id所对应的处理程序，而这条中断线本身只有在删除了最后一个处理程序时才会被禁用。必须从进程上下文中调用free_irq()。

　　编写中断处理程序

　　以下是一个典型的中断处理程序声明：

　　static irqreturn_t intr_handler(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

　　注意，它的类型与request_irq()参数中的handler所要求的参数类型相匹配。第一个参数irq就是这个处理程序要响应的中断的中断线号，现在已无太大用处。第二个蚕食是dev_id通用指针，它与在中断处理程序注册时传递给request_irq()的参数dev_id必须一致。若该值有唯一确定性（建议采用这样的值，以便支持共享），通常会把设备结构传递给dev_id。最后一个参数regs是一个指向结构的指针，该结构包含处理中断之前处理器的寄存器和状态。现在基本不用，可忽略。

　　中断处理程序的返回值是一个特殊类型：irqreturn_t。可能返回两个特殊的值：IRQ_NONE和IRQ_HANDLED。当中断处理程序检测到一个中断，但该中断对应的设备并不是在注册处理函数期间指定的产生源时，返回IRQ_NONE，当中断处理程序被正确调用，且确实是它对应的设备产生了中断时，返回IRQ_HANDLED。另外也可以通过宏IRQ_RETVAL（x）。若x为非0值则返回IRQ_HANDLED，否则返回IRQ_NONE。irqreturn_t实际上是int型。

　　重入和中断处理程序

　　Linux中的中断处理程序是无需重入的。当一个给定的中断处理程序正在执行时，相应的中断线在所有的处理器上都会被屏蔽掉，以防止在同一中断线上接受另一个新的中断。同一个中断处理程序绝对不会被同时调用以处理嵌套的中断。

　　共享中断处理程序

　　共享中断处理程序和非共享中断处理程序的主要差异为：

　　1.request_irq()的参数flags必须设置SA_SHIRQ

　　2.对每个注册的中断处理程序来说，dev_id参数必须唯一，指向任一设备结构的指针可以做到这点，所以通常会选择设备结构，而且中断处理程序可能会用到它。

　　3.中断处理程序必须能够区分它的设备是否真的产生了中断。这既需要硬件的支持，也需要处理程序中有相关的处理逻辑。

　　内核接收到一个中断后，它会依次调用在该中断线上的所有处理程序，所以处理程序必须知道它是否对这个中断负责，若与它相关的设备没有产生中断，那么处理器程序应该立即退出。这需要硬件设备提供状态寄存器（或类似机制），以便中断处理程序进行检查。大多数硬件都提供这种功能。

 

　　参考自：《Linux Kernel Development》.