中断和中断处理程序
1. 中断
Linux内核要对连接到计算机上的所有硬件设备进行管理，首先要能和它们互相通信。从所周知，处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上。所以，需要一种机制，如果轮询(polling)是一种解决办法，可以让内核定期对设备的状态进行查询，然后做出相应的处理，但这让内核做了不少无用功。
更好的办法是由我们来提供一种机制，让硬件在需要的时候再向内核发出信号。这就是中断机制。中断本质上是一种特殊的电信号，由硬件设备生成，并直接送入中断控制器的输入引脚上，再由中断控制器向处理器发送相应的信号，处理器一经检测到此信号，便中断自己当前工作转而处理中断，最后由OS来负责处理新到来的数据。中断是异步的。
什么是中断？简单地说就是CPU在忙着作自己的事情，这时候硬件（比如说键盘按了一下）触发了一个电信号，这个信号通过中断线到达中断控制器i8259A，i8259A接受到这个信号后，向CPU发送INT信号申请CPU来执行刚才的硬件操作，并且将中断类型号也发给CPU，此时CPU保存当前正在做的事情（REST指令把程序计数器PC中的下一条待执行的指令的内存地址保存到栈）的情景现场，然后去处理这个申请，根据中断类型号找到它的中断向量（即中断程序在内存中的地址），然后去执行这段程序（这段程序已经写好，在内存中），执行完后再向i8259A发送一个INTA信号表示其已经处理完刚才的申请。此时CPU就可以继续做它刚才被打断做的事情了，将刚才保存的情景现场恢复出来，CPU继续执行接下来下面的程序。
不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个唯一的数字标识。这些中断值通常被称为中断请求(IRQ)线。比如，IRQ0是时钟中断，而IRQ1是键盘中断。并不是所有的中断号都这样严格定义，像PCI总线上的设备，中断就是动态分配的。
1.1. 异常与中断
异常与中断不同，它在产生时必须考虑与处理器时钟同步。实际上，异常也称为同步中断。比如，在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令的时候，或者在执行期间出现特殊情况(缺页)，必须靠内核来处理的，处理器就产生一个异常。
中断的的工作方式类似，其差异只在于中断是由硬件而不是软件引起的。
2. 中断处理程序
在响应一个特定中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫中断处理程序(interrupt handler)或中断服务例程(interrupt service routine，ISR)。产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序。一个设备的中断处理程序是它设备驱动程序的一部分。中断处理程序与其他内核的真正区别在于：中断处理程序是被内核调用来响应中断的，而它们运行于我们称之为中断上下文的特殊上下文中。
2.1. 上半部与下半部的对比
又想程序运行得快，又想程序完成的工作量太多，这两个目的相互矛盾。鉴于两个目的之间存在不可调和的矛盾，所以需要把中断处理程序分成两半或两个部分。中断处理程序是上半部(top half)：接收到一个中断，他就立即开始执行，但只做严格时限的工作，例如对接收的中断进行应答或复位硬件，这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成的。能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部(bottom half)去。此后，在合适的时机，下半部被开中断执行。
3. 注册中断处理程序
驱动程序可以通过下面的函数注册并激活一个中断处理程序，以便处理中断：
int request_irq(unsigned int irq,
irqretrun_t (*handler)(int,void *, struct pt_regs *),
unsigned long irqflags,
const char *devname,
void *dev_id);
第一个参数>irq表示要分配的中断号。对于大多数其他设备来说，这个值要么是可以通过探测获取，要么可以通过编程动态确定。
第二个参数>hanlder是一个指针，指向处理这个中断的实际中断处理程序。hanhler函数的原型接收三个参数。
第三个参数>irqflags可以是0，也可以是多个标志的掩码。如果是SA_INTERRUPT，表面给定的中断处理程序是一个快速中断处理程序(fast interrupt hanlder)。使用了该标志，快速中断处理程序在禁止所有中断的情况下的本地处理器上运行。除了时钟中断，绝大数中断都不使用该标志。如果是SA_SAMPLE_RANDOM，表明这个设备产生的中断对内核熵池(entropy pool)有贡献。如果是SA_SHARE标志，表明可以在多个中断处理程序之间共享中断线。在同一个给定线上注册的每个处理程序必须指定这个标志。
第四个参数>devname是与中断相关设备的ASCII文本表示法。这些名字会被/proc//irq和/proc/inerrupt文件使用，以便于用户通信。
第五个参数>dev_id主要用户共享中断线。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诸多中断处理程序中删除指定的那一个。如果无需共享中断线，那么将该参数赋为空值(NULL)就可以了。
该函数执行成功会返回0。如果返回非0值，就表示有错误发生。
注意：request_irq函数可能会睡眠，因此，不能在中断上下文或其他不允许阻塞的代码中使用该函数。在注册的过程中，内核需要在/proc/irq文件中创建一个与中断对应的项。函数proc_mkdir就是用来创建这个新的procfs项的。函数proc_mkdir通过调用函数proc_mkdir通过调用proc_create对这个profs项进行设置，而proc_create会调用函数kmalloc函数请求分配内存。函数kmalloc是可以睡眠的。
3.1. 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。可以调用void_free_irq(unsigned int irq, void * dev_id)来释放中断线。
如果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。如果中断线是共享的，则仅删除dev_di对应的处理程序，而这条中断线只有在删除了最后一个处理程序时才会被禁用。
4. 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);
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。
第二个参数dev_id是一个通用指针，它与在中断处理程序注册时传递request_irq的参数的dve_id必须一致。另外dev_id也可能指向中断处理程序使用的一个数据结构。因为，对于每个设备而言，设备结构是唯一的。
第三个参数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。考虑到现有的中断处理程序很少使用该参数，因此可以忽略它。
中断处理程序的返回值是一个特殊类型：irqreturn_t。中断处理程序可能会返回两个特殊的值：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，且确实是它所对应的设备产生了中断，返回IRQ_HANDLED。而实际上irqreturn_t就是一个int类型。
中断处理程序通常会标记为static，因为它从来不会被别人的文件中的代码直接调用。
4.1. 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处理器上都会被屏蔽掉，以防止在同一中断线上接收另一个新的中断。
4.2. 共享的中断处理程序
共享的处理程序与非共享的处理程序在注册和运行方式上比较类似，但差异如下：
1) request_irq的参数flags必须设置SA_SHARE标志
2) 对每个注册的中断处理程序来说，dev_id参数必须唯一
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，耶需要处理程序有相关的处理逻辑。
指定SA_SHARE标志以调用request_irq时，只有在以下两种情况下才可能成功：
1) 中断线当前未被注册
2) 在该线上的所有已经注册处理程序都指定了SA_SHARE。
内核接收一个中断后，它将依次调用在该中断线上注册的每一个处理程序。因此，一个处理程序应该必须知道它是否应该为这个负责。如果与它相关的设备并没有产生中断，那么处理器应该立即退出。
5. 中断上下文
当执行一个中断处理程序或下半部时，内核处于中断上下文(interrupt context)中。中断上下文和进程没有关系，不可以睡眠。中断上下文具有严格的时间限制，因为它打断了其他代码。
而进程上下文是一种内核所处的操作模式，此时内核代表进程执行，比如执行系统调用或运行内核线程。在进程上下文中，可以通过current宏关联当前进程，可以睡眠。
中断处理程序打断了其他代码，正是因为这种异步执行的特性，所以所有的中断处理程序必须尽可能的迅速、简洁。尽量把工作从中断处理程序中分离出来，交给下半部。
中断处理程序栈的设置是一个配置选项，决定中断处理程序是否共享中断进程的内核栈。内核栈的大小是两页。在2.6的内核中，增加一个选项，把栈的大小两页减到一页，这就减轻了内存的压力，因为系统中每个进程仅需要一页内核栈了。但是，为了应对栈大小的减少，中断处理程序拥有了自己的栈，每个处理器一个，大小为一页。这个栈称为中断栈。
6. 中断处理机制的实现
设备产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器，处理器会立即停止它正在做的事，关闭中断系统，然后跳到内存中预定义的位置开始执行那里的代码。这个预定义的位置是由内核设置的，是中断处理程序的入口点。
在内核栈，中断的旅程开始于预定义入口点，这类似于系统调用通过预定义的异常句柄进入内核。对于每条中断线，处理器都会跳到对应的一个唯一的位置。初始入口点只是在栈中保存这个号，并存放当前寄存器的值；然后，内核调用do_IRQ函数。
unsigned int do_IRQ(struct pt_regs regs);
该函数计算出中断号后，对所接收的中断进行应答，禁止这条线上的中断传递。在普通的PC机器上，这些操作由mask_and_ack_8259A来完成的。
接着，该函数需要确保在这条中断线上有个有效的处理程序，而且这个程序已经启动，但是当前并没有执行。do_IRQ就调用handle_IRQ_event来运行为这条中断线安装的中断处理程序。
最后，函数返回，回到do_IRQ。而do_IRQ做清理工作并返回到初始入口点，然后再从这个入口点跳到函数ret_from_intr函数。这个例程会检查重新调度是否正在挂起。如果重新调度正在挂起，而且内核正在返回用户空间(也就是中断了用户进程)，那么schedule被调用。如果内核正在返回内核空间(也就是中断了内核本身)，只有在preempt_count为0，schedule才会被调用。在schedule返回之后，或者没有挂起的工作，那么，原来的寄存器被恢复，内核恢复到曾经中断的点。
在x86上，初始的汇编例程位于arch/i386/kernel/entry.S，C方法在arch/i386/kernel/irq.c中。
6.1. 文件/proc/interrupts
procfs是一个虚拟文件系统，它只存于内核内存，一般安装与/proc目录下。在procfs中读写都要调用内核函数，这些函数模拟从真实文件中读或写。
7. 中断控制
Linux内核提供了一组接口用于操作机器上的中断状态。可以在<asm/system.h>和<asm/irq.h>中找到。一般来说，控制中断系统的原因是需要提供同步。通过禁止中断，可以确保某个中断处理程序不会抢占当前的代码。此外，禁止中断还可以禁止内核抢占。
7.1. 禁止和激活中断
用于禁止和激活当前处理器上的本地中断：
local_irq_disable();
local_irq_enable();
local_irq_save(unsigned long flags);
local_irq_restore(unsigned long flags);
前两个函数通常调用单个汇编指令来实现。实际上，在x86中它们分别使用cli指令和sti指令。如果在调用local_irq_disable例程之前已经禁止了中断，那么该例程往往带来潜在的危险；同样相应的local_irq_enable例程耶存在危险，因为他将无条件地激活中断，尽管这些中断可能在开始时就是关闭的。后两个函数可以保存现场，是系统更加安全。
内核2.5版本不再使用全局的cli，相应地，所有中断同步现在必须结合使用本地中断控制器和自旋锁。也就是说，为了确保对共享数据的互斥访问，现在需要做更多的工作。取消全局cli的优点：一是强制驱动程序编写实现真正的加锁，具有特定的细粒度比全局锁快许多；二是这使得很多代码更具流线型，避免了代码的成簇布局。
前面的所有函数既可以在中断中调用，也可以在进程上下文中调用。
7.2. 禁止指定中断线
在某些情况下，只禁止整个系统中一条特定的中断线就够了。
void disable_irq(unsigned int irq);
void disable_irq_nosync(unsigned int irq);
void enable_irq(unsigned int irq);
void synchronize_irq(unsigned int irq);
前两个函数禁止中断控制器上指定的中断线。另外函数只有在当前正在执行的所有处理程序完成后，disable_irq才能返回。因此。调用者不仅确保不在指定中断线上传递新的中断，同时还有确保所有已经开始执行的处理程序已经全部退出。
函数disable_irq_nosync不会等待当前中断处理程序执行完毕。
函数synchronize_irq等待一个特定的中断处理程序的退出。如果该处理程序正在执行，那么该函数必须退出后才能返回。
对于这些函数的调用可以嵌套。其中有三个函数可以从中断或进程上下文中调用，而且不会睡眠。禁止多个中断处理程序共享的中断线是不合适的，禁止中断线也就禁止了这条线上所有设备的中断传递。因此，用于新设备的驱动程序应该倾向于不使用这些接口。
7.3. 中断系统的状态
宏irqs_disable定义在<asm/system.h>中。如果本地处理器上的中断系统被禁止，则它返回非0，否则返回0。
在<asm/hardirq.h>中定义的两个宏提供一个用来检测内核的当前上下文的接口：
int_interrupt()
int_irq()
第一个宏in_interrup最有用：如果内核处于中断上下文中，返回非0。说明内核此刻正在执行中断处理程序，或者正在执行下半部处理程序。宏in_irq只有在内核确实正在执行中断处理程序时返回非0。
