linux中断机制简单分析

linux中断机制简单分析(2012-04-09 11:12)

标签:中断 分类：linux驱动

驱动程序使用一个中断，一般首先要申请一个中断，申请中断的函数是

intrequest_irq(unsignedintirq,
irqreturn_t(*handler)(int,void*,struct
 pt_regs*),
unsigned long flags,
constchar*dev_name,
void*dev_id);

这个函数在interrupt.h中声明，其中的参数，irq是要申请的中断号，handler是要安装的中断处理函数，flags是中断的标志，dev_name标识一个中断的名称。dev_id是将传递给中断处理函数。

简单的看一下此函数的实现和相关部分，

第一个参数irq中断号。内核中已经给我们定义好了中断号的宏，来表示中断在内核中的表示。

mini2440开发板上6个按键分别被连接到了EINT8，EINT11，EINT13，EINT14，EINT15，EINT19。芯片数据手册中，可以得知EINT8-23都共用SRCPND挂起源寄存器中的第5位，在INTPND，INTMASK等寄存器中也都在第5位。如果要进一步确定是那个中断源，则需要查看EINTPEND外部中断挂起寄存器（数据手册并没有将这个寄存器介绍写入中断一章，而在输入输出章，其他方面也感觉2440的数据手册也很不详细，很多东西都没有介绍）。

再看linux中在include\asm-arm\arch-s3c2410\Irq.h中定义了中断的宏，如下，

#define S3C2410_CPUIRQ_OFFSET(16)
#define S3C2410_IRQ(x)((x)+S3C2410_CPUIRQ_OFFSET)

#define IRQ_EINT0 S3C2410_IRQ(0)/*16*/
#define IRQ_EINT1 S3C2410_IRQ(1)
#define IRQ_EINT2 S3C2410_IRQ(2)
#define IRQ_EINT3 S3C2410_IRQ(3)
#define IRQ_EINT4t7 S3C2410_IRQ(4)/*20*/
#define IRQ_EINT8t23 S3C2410_IRQ(5)
#define IRQ_RESERVED6 S3C2410_IRQ(6)/*fors3c2410*/
..................
#define IRQ_EINT4 S3C2410_IRQ(32)/*48*/
#define IRQ_EINT5 S3C2410_IRQ(33)
#define IRQ_EINT6 S3C2410_IRQ(34)
#define IRQ_EINT7 S3C2410_IRQ(35)
#define IRQ_EINT8 S3C2410_IRQ(36)
#define IRQ_EINT9 S3C2410_IRQ(37)
#define IRQ_EINT10 S3C2410_IRQ(38)
#define IRQ_EINT11 S3C2410_IRQ(39)
#define IRQ_EINT12 S3C2410_IRQ(40)
#define IRQ_EINT13 S3C2410_IRQ(41)
#define IRQ_EINT14 S3C2410_IRQ(42)
#define IRQ_EINT15 S3C2410_IRQ(43)

可以看到 EINT0号中断IRQ_EINT0将宏展开后就等于16，而IRQ_EINT8展开后等于52.这些数字编号是linux内核定义的中断数组的编号。linux内核将所有中断统一编号。使用irq_desc结构数组来描述中断。每个数组项对应一个中断。这样IRQ_EINT0就对应数组的第16项。irq_desc结构如下

struct irq_desc{
irq_flow_handler_thandle_irq;
struct irq_chip*chip;
struct msi_desc*msi_desc;
void*handler_data;
void*chip_data;
struct irqaction*action;/*IRQ
 action list*/
unsignedintstatus;/*IRQ
 status*/

unsignedintdepth;/*nested
 irq disables*/
unsignedintwake_depth;/*nested
 wake enables*/
unsignedintirq_count;/*Fordetecting
 broken IRQs*/
unsignedintirqs_unhandled;
spinlock_tlock;
#ifdef CONFIG_SMP
cpumask_taffinity;
unsignedintcpu;
#endif
#ifdefined(CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ)||defined(CONFIG_IRQBALANCE)
cpumask_tpending_mask;
#endif
#ifdef CONFIG_PROC_FS
struct proc_dir_entry*dir;
#endif
constchar*name;
}

分析较为重要的一些成员，成员handle_irq表示当前处理函数，执行到这个irq_desc数组代表的中断时首先调用此函数，此函数再调用chip成员链接的底层函数包括清楚，屏蔽，使能等操作。做一些操作，然后调用action链表中用户注册的处理函数，request_irq函数主要任务就是在此结构中的action链表中添加定义的中断处理函数。这里有三个主要问题有待分析。一.linux中断从异常如何执行到irq_desc结构代表的数据项中，二，irq_desc数组在linux中如何建立初始化。三，request_irq实现的简略分析。

逐项简单分析，

一。linux中断从异常如何执行到irq_desc结构代表的数据项中。

在内核start_kernel(在init/main.c)中调用tarp_init（在arch/arm/kernel/Traps.c中）设置异常处理函数。函数如下

void __init trap_init(void)
{
unsigned long vectors=CONFIG_VECTORS_BASE;
extern char __stubs_start[],__stubs_end[];
extern char __vectors_start[],__vectors_end[];
extern char __kuser_helper_start[],__kuser_helper_end[];
intkuser_sz=__kuser_helper_end-__kuser_helper_start;

/*
*Copy the vectors,stubsandkuser helpers(inentry-armv.S)
*into the vector page,mapped at 0xffff0000,andensure
 these
*are visibletothe instruction stream.
*/
memcpy((void*)vectors,__vectors_start,__vectors_end-__vectors_start);
memcpy((void*)vectors+0x200,__stubs_start,__stubs_end-__stubs_start);
memcpy((void*)vectors+0x1000-kuser_sz,__kuser_helper_start,kuser_sz);

/*
*Copy signal return handlers into the vector page,and
*setsigreturntobe a pointertothese.
*/
memcpy((void*)KERN_SIGRETURN_CODE,sigreturn_codes,
 sizeof(sigreturn_codes));

flush_icache_range(vectors,vectors+PAGE_SIZE);
modify_domain(DOMAIN_USER,DOMAIN_CLIENT);
}

中断是异常的一种，在CPU出现一样时会跳转到指定地址。ARM V4版本以后，异常向量基地址有两个一是0x00000000，一是0xffff0000。这个通过设置CP15协处理器C1寄存器中v位（bit[13]位）控制。 linux内核使用后者(?)。

CONFIG_VECTORS_BASE是一个配置项在.config文件中可以找到CONFIG_VECTORS_BASE = 0xffff0000.

？--------？

memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);

这句的目的是将异常向量代码部分，复制到vectors地址处。

__vectors_start标号在arch/arm/kernel/entry_asmv.S中，如下，

.globl__vectors_start
__vectors_start:
swiSYS_ERROR0
bvector_und+stubs_offset
ldrpc,.LCvswi+stubs_offset
bvector_pabt+stubs_offset
bvector_dabt+stubs_offset
bvector_addrexcptn+stubs_offset
bvector_irq+stubs_offset
bvector_fiq+stubs_offset
.globl__vectors_end
__vectors_end:

这就是异常向量表，b vector_irq + stubs_offset表示跳到中断异常，vector_und是一个定义的宏扩展的，下面看一下这个宏并简要注释。

.macrovector_stub,name,mode,correction=0
@name:名字 mode:那种异常模式 correction:返回地址需减去的长度
.align5

vector_\name:
.if\correction
sublr,lr,#\correction
@不同的异常预读取的指令到异常跳转的长度不同，返回地址应减去#\correction
.endif

@
@ Save r0,lr_<exception>(parent
 PC)andspsr_<exception>
@(parent CPSR)
@
stmiasp,{r0,lr}@
 save r0,lr
mrslr,spsr
strlr,[sp,#8]@
 save spsr

@
@ PrepareforSVC32 mode.IRQs remain disabled.
@
mrsr0,cpsr
eorr0,r0,#(\mode ^
 SVC_MODE)
msrspsr_cxsf,r0

@
@ the branch table must immediately follow this code @次级跳转表要紧跟其后。
@
andlr,lr,#0x0f@保留第4位
movr0,sp@栈指针保存到r0
ldrlr,[pc,lr,lsl #2]@
 lr=(lr<<2)+pc
movspc,lr@ branchtohandlerinSVC mode
.endm
在看一下带入这个宏的扩展。
vector_stubirq,IRQ_MODE,4

.long__irq_usr@ 0(USR_26/USR_32)用户模式的中断
.long__irq_invalid@ 1(FIQ_26/FIQ_32)
.long__irq_invalid@ 2(IRQ_26/IRQ_32)
.long__irq_svc@ 3(SVC_26/SVC_32)管理模式的中断
.long__irq_invalid@ 4
.long__irq_invalid@ 5
.....

看回trap_init函数

memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);

这句就是上面分析的由宏展开的跳转表代码段复制到vectors + 0x200地址。

关于stubs_offset的分析，

.equ stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start

引用网上摘抄的一段话，

当汇编器看到B指令后会把要跳转的标签转化为相对于当前PC的偏移量（±32M）写入指令码。从上面的代码可以看到中断向量表和stubs都发生了代码搬移，所以如果中断向量表中仍然写成b vector_irq，那么实际执行的时候就无法跳转到搬移后的vector_irq处，因为指令码里写的是原来的偏移量，所以需要把指令码中的偏移量写成搬移后的。我们把搬移前的中断向量表中的irq入口地址记irq_PC,它在中断向量表的偏移量就是irq_PC-vectors_start, vector_irq在stubs中的偏移量是vector_irq-stubs_start，这两个偏移量在搬移前后是不变的。搬移后 vectors_start在0xffff0000处，而stubs_start在0xffff0200处，所以搬移后的vector_irq相对于中断 向量中的中断入口地址的偏移量就是，200+vector_irq在stubs中的偏移量再减去中断入口在向量表中的偏移量，即200+ vector_irq-stubs_start-irq_PC+vectors_start = (vector_irq-irq_PC) + vectors_start+200-stubs_start,对于括号内的值实际上就是中断向量表中写的vector_irq，减去irq_PC是由汇编器完成的，而后面的 vectors_start+200-stubs_start就应该是stubs_offset，实际上在entry-armv.S中也是这样定义的。

由此可见

b vector_irq + stubs_offset 将跳转到__irq_usr或__irq_svc的分支。

__irq_usr的分支会继续处理，会保存寄存器等，然后跳转到真正的处理程序，摘取片段

__irq_usr:
usr_entry@一个宏

#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
bltrace_hardirqs_off
#endif
get_thread_info tsk
#ifdef CONFIG_PREEMPT
ldrr8,[tsk,#TI_PREEMPT]@getpreempt
 count
addr7,r8,#1@ increment it
strr7,[tsk,#TI_PREEMPT]
#endif

irq_handler@中断处理函数(这是一个宏)，
#ifdef CONFIG_PREEMPT
ldrr0,[tsk,#TI_PREEMPT]
strr8,[tsk,#TI_PREEMPT]
teqr0,r7
strner0,[r0,-r0]
.......

代码中的irq_handler这个是个宏就在entry_asmv.S文件开始处，会调用到asm_do_IRQ，

.macroirq_handler
get_irqnr_preamble r5,lr
1:get_irqnr_and_base r0,r6,r5,lr
 @此宏获得中断号和base(?)
?--------?

movner1,sp
@
@ routine called with r0=irq number,r1=struct pt_regs*
@
adrnelr,1b
bneasm_do_IRQ

asm_do_IRQ(在arch/arm/kernel/irq.c中)，

asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsignedintirq,struct pt_regs*regs)
{
struct pt_regs*old_regs=set_irq_regs(regs);
struct irq_desc*desc=irq_desc+irq;

/*
*Some hardware gives randomly wrong interrupts.Rather
*than crashing,dosomething sensible.
*/
if(irq>=NR_IRQS)
desc=&bad_irq_desc;

irq_enter();

desc_handle_irq(irq,desc);

/*AT91 specific workaround*/
irq_finish(irq);

irq_exit();
set_irq_regs(old_regs);
}

在这个函数中会看到irq_desc变量，desc_handle_irq(irq, desc);则会调用到相应的中断，所以到这里我们已经分析了第一个问题，到了要分析第二个问题的时候了，

二，irq_desc数组在linux中如何建立初始化

irq_desc数组的的定义在kernel/irq/handler.c中，

struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS]__cacheline_aligned_in_smp={
[0...NR_IRQS-1]={
.status=IRQ_DISABLED,
.chip=&no_irq_chip,
.handle_irq=handle_bad_irq,
.depth=1,
.lock=__SPIN_LOCK_UNLOCKED(irq_desc->lock),
#ifdef CONFIG_SMP
.affinity=CPU_MASK_ALL
#endif
}
};

我们可以结合文章开始处提到的irq_desc结构体的定义，看下都在定义时初始化了那些成员。进一步，在inin/main.c的start_kernel中，也即trap_init调用的后面会调用的init_IRQ(arch/arm/kernel/irq.c).此函数初始化irq_desc数组中一些成员，如下，

void __init init_IRQ(void)
{
intirq;

for(irq=0;irq<NR_IRQS;irq++)(1)
irq_desc[irq].status|=IRQ_NOREQUEST|IRQ_NOPROBE;

init_arch_irq();
(2)
}

(1)将irq_desc数组中所有成员状态加上|= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;

(2)调用相应体系的中断初始化函数，(函数的关联在machine_desc结构中的init_irq成员)，在这里它实际指向s3c24xx_init_irq(arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c)函数。

这个函数先设置寄存器清除所有中断。然后设置各个中断，我们以IRQ_EINT4到IRQ_EINT23为例。

for(irqno=IRQ_EINT4;irqno<=IRQ_EINT23;irqno++){
irqdbf("registering irq %d (extended s3c irq)\n",irqno);
set_irq_chip(irqno,&s3c_irqext_chip);(1)
set_irq_handler(irqno,handle_edge_irq);
set_irq_flags(irqno,IRQF_VALID);
}

(1)set_irq_chip(irqno, &s3c_irqext_chip),在kernel\irq\Chip.c中。这个函数的作用相当于desc[irqno].chip = &s3c_irqext_chip.这里贴出struct irq_chip的定义的注释。

/**
*struct irq_chip-hardware interrupt chip descriptor
*
*@name:namefor/proc/interrupts
*@startup:start up the interrupt(defaultsto->enableifNULL)
*@shutdown:shut down the interrupt(defaultsto->disableifNULL)
*@enable:enable the interrupt(defaultstochip->unmaskifNULL)
*@disable:disable the interrupt(defaultstochip->maskifNULL)
*@ack:start of a new interrupt
*@mask:mask an interrupt source
*@mask_ack:ackandmask an interrupt source
*@unmask:unmask an interrupt source
*@eoi:endof interrupt-chip
 level
*@end:endof interrupt-flow
 level
*@set_affinity:setthe CPU affinityonSMP
 machines
*@retrigger:resend an IRQtothe CPU
*@set_type:setthe flow type(IRQ_TYPE_LEVEL/etc.)of
 an IRQ
*@set_wake:enable/disable power-management
 wake-onof an IRQ
*
*@release:releasefunctionsolely used by UML
*@typename:obsoleted by name,kept
 as migration helper
*/

可以看出这个结构体封装了一些底层的操作函数。我们再继续看s3c_irqext_chip的定义，

static struct irq_chip s3c_irqext_chip={
.name="s3c-ext",
.mask=s3c_irqext_mask,//(1)
.unmask=s3c_irqext_unmask,
.ack=s3c_irqext_ack,
.set_type=s3c_irqext_type,
.set_wake=s3c_irqext_wake
};

(1)看一个示例，屏蔽此中断号对应的中断屏蔽寄存器,s3c_irqext_mask,如下，

s3c_irqext_mask(unsignedintirqno)
{
unsigned long mask;

irqno-=EXTINT_OFF;

mask=__raw_readl(S3C24XX_EINTMASK);//读取EINTMASK寄存器的值(?)
?------------?
mask|=(1UL<<irqno);
__raw_writel(mask,S3C24XX_EINTMASK);
}

初始化里所有的irq_desc数组成员,第二个问题差不多就分析到这里,在看第三个问题之前，再看一下asm_do_IRQ函数中，desc_handle_irq(irq, desc)这句，它调用desc中的handler_irq函数。在这里说明一下像EINT8-EINT23这样的中断，asm_do_IRQ函数中irq中断号只有32个取值。所以如果是EINT8引起的中断，在asm_do_IRQ通过寄存器INTOFFSET寄存器，在这里首先只能确定到是IRQ_EINT8t32，进而再调用irq_desc[IRQ_EINT8t32].handler_irq。这个函数设置为s3c_irq_demux_extint8，它可以进一步通过寄存器EITPEND等，确定是EINT8引起的中断，软后重新计算中断号，调用新计算出的中断号的hanlde_irq函数。

三。request_irq实现的简略分析

action=kmalloc(sizeof(struct irqaction),GFP_ATOMIC);
if(!action)
return-ENOMEM;

action->handler=handler;
action->flags=irqflags;
cpus_clear(action->mask);
action->name=devname;
action->next=NULL;
action->dev_id=dev_id;

select_smp_affinity(irq);
retval=setup_irq(irq,action);

函数申请了struct irqaction的一个结构体，在irq_desc数组成员中包含此结构体，此结构体可以构成一个链表。即一个irq_desc数组成员可以关联上多个action。

setup_irq(irq, action);函数会检查相应的条件，然后将新申请的action结构添加到此链表中。然后会调用chip->startup等函数来使能中断。总的来数request_irq函数的任务就是，

1.将新的中断处理函数链接到irq_desc数组相应中断号成员的action链表中。

2.设置中断触发方式等

3.中断被使能，此时中断已经可以使用了。