背景 Read the fucking source code! --By 魯迅 A picture is worth a thousand words. --By 高爾基 說明： Kernel版本：4.14 ARM64處理器，Contex-A53，雙核 使用工具：Source Insight 3. ...
背景
Read the fucking source code!--By 魯迅A picture is worth a thousand words.--By 高爾基
說明：
- Kernel版本：4.14
- ARM64處理器，Contex-A53，雙核
- 使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析講到了底層硬體GIC驅動，以及Arch-Specific的中斷代碼，本文將研究下通用的中斷處理的過程，屬於硬體無關層。當然，我還是建議你看一下上篇文章。
這篇文章會解答兩個問題：
- 用戶是怎麼使用中斷的（
中斷註冊）？ - 外設觸發中斷信號時，最終是怎麼調用到中斷handler的（
中斷處理）？
2. 數據結構分析
先來看一下總的數據結構，核心是圍繞著struct irq_desc來展開：
-
Linux內核的中斷處理，圍繞著中斷描述符結構
struct irq_desc展開，內核提供了兩種中斷描述符組織形式：- 打開
CONFIG_SPARSE_IRQ巨集（中斷編號不連續），中斷描述符以radix-tree來組織，用戶在初始化時進行動態分配，然後再插入radix-tree中； - 關閉
CONFIG_SPARSE_IRQ巨集（中斷編號連續），中斷描述符以數組的形式組織，並且已經分配好； - 不管哪種形式，最終都可以通過
linux irq號來找到對應的中斷描述符；
- 打開
-
圖的左側灰色部分，主要在中斷控制器驅動中進行初始化設置，包括各個結構中函數指針的指向等，其中
struct irq_chip用於對中斷控制器的硬體操作，struct irq_domain與中斷控制器對應，完成的工作是硬體中斷號到Linux irq的映射； -
圖的上側灰色部分，中斷描述符的創建（這裡指
CONFIG_SPARSE_IRQ），主要在獲取設備中斷信息的過程中完成的，從而讓設備樹中的中斷能與具體的中斷描述符irq_desc匹配； -
圖中剩餘部分，在設備申請註冊中斷的過程中進行設置，比如
struct irqaction中handler的設置，這個用於指向我們設備驅動程式中的中斷處理函數了；
中斷的處理主要有以下幾個功能模塊：
- 硬體中斷號到
Linux irq中斷號的映射，並創建好irq_desc中斷描述符； - 中斷註冊時，先獲取設備的中斷號，根據中斷號找到對應的
irq_desc，並將設備的中斷處理函數添加到irq_desc中； - 設備觸發中斷信號時，根據硬體中斷號得到
Linux irq中斷號，找到對應的irq_desc，最終調用到設備的中斷處理函數；
上述的描述比較簡單，更詳細的過程，往下看吧。
3. 流程分析
3.1 中斷註冊
這一次，讓我們以問題的方式來展開：
先來讓我們回答第一個問題：用戶是怎麼使用中斷的？
- 熟悉設備驅動的同學應該都清楚，經常會在驅動程式中調用
request_irq()介面或者request_threaded_irq()介面來註冊設備的中斷處理函數； request_irq()/request_threaded_irq介面中，都需要用到irq，也就是中斷號，那麼這個中斷號是從哪裡來的呢？它是Linux irq，它又是如何映射到具體的硬體設備的中斷號的呢？
先來看第二個問題：設備硬體中斷號到
Linux irq中斷號的映射
- 硬體設備的中斷信息都在設備樹
device tree中進行了描述，在系統啟動過程中，這些信息都已經載入到記憶體中並得到瞭解析； - 驅動中通常會使用
platform_get_irq或irq_of_parse_and_map介面，去根據設備樹的信息去創建映射關係（硬體中斷號到linux irq中斷號映射）； - 【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析提到過
struct irq_domain用於完成映射工作，因此在irq_create_fwspec_mapping介面中，會先去找到匹配的irq domain，再去回調該irq domain中的函數集，通常irq domain都是在中斷控制器驅動中初始化的，以ARM GICv2為例，最終回調到gic_irq_domain_hierarchy_ops中的函數； - 如果已經創建好了映射，那麼可以直接進行返回
linux irq中斷號了，否則的話需要irq_domain_alloc_irqs來創建映射關係； irq_domain_alloc_irqs完成兩個工作：- 針對
linux irq中斷號創建一個irq_desc中斷描述符； - 調用
domain->ops->alloc函數來完成映射，在ARM GICv2驅動中對應gic_irq_domain_alloc函數，這個函數很關鍵，所以下文介紹一下；
- 針對
gic_irq_domain_alloc函數如下：
gic_irq_domain_translate：負責解析出設備樹中描述的中斷號和中斷觸發類型（邊緣觸發、電平觸發等）；gic_irq_domain_map：將硬體中斷號和linux中斷號綁定到一個結構中，也就完成了映射，此外還綁定了irq_desc結構中的其他欄位，最重要的是設置了irq_desc->handle_irq的函數指針，這個最終是中斷響應時往上執行的入口，這個是關鍵，下文講述中斷處理過程時還會提到；- 根據硬體中斷號的範圍設置
irq_desc->handle_irq的指針，共用中斷入口為handle_fasteoi_irq，私有中斷入口為handle_percpu_devid_irq；
上述函數執行完成後，完成了兩大工作：
- 硬體中斷號與Linux中斷號完成映射，併為Linux中斷號創建了
irq_desc中斷描述符； - 數據結構的綁定及初始化，關鍵的地方是設置了中斷處理往上執行的入口；
再看第一個問題：中斷是怎麼來註冊的？
設備驅動中，獲取到了irq中斷號後，通常就會採用request_irq/request_threaded_irq來註冊中斷，其中request_irq用於註冊普通處理的中斷，request_threaded_irq用於註冊線程化處理的中斷；
在講具體的註冊流程前，先看一下主要的中斷標誌位：
#define IRQF_SHARED 0x00000080 //多個設備共用一個中斷號，需要外設硬體支持
#define IRQF_PROBE_SHARED 0x00000100 //中斷處理程式允許sharing mismatch發生
#define __IRQF_TIMER 0x00000200 //時鐘中斷
#define IRQF_PERCPU 0x00000400 //屬於特定CPU的中斷
#define IRQF_NOBALANCING 0x00000800 //禁止在CPU之間進行中斷均衡處理
#define IRQF_IRQPOLL 0x00001000 //中斷被用作輪訓
#define IRQF_ONESHOT 0x00002000 //一次性觸發的中斷，不能嵌套，1）在硬體中斷處理完成後才能打開中斷；2）在中斷線程化中保持關閉狀態，直到該中斷源上的所有thread_fn函數都執行完
#define IRQF_NO_SUSPEND 0x00004000 //系統休眠喚醒操作中，不關閉該中斷
#define IRQF_FORCE_RESUME 0x00008000 //系統喚醒過程中必須強制打開該中斷
#define IRQF_NO_THREAD 0x00010000 //禁止中斷線程化
#define IRQF_EARLY_RESUME 0x00020000 //系統喚醒過程中在syscore階段resume，而不用等到設備resume階段
#define IRQF_COND_SUSPEND 0x00040000 //與NO_SUSPEND的用戶共用中斷時，執行本設備的中斷處理函數
request_irq也是調用request_threaded_irq，只是在傳參的時候，線程處理函數thread_fn函數設置成NULL；- 由於在硬體中斷號和Linux中斷號完成映射後，
irq_desc已經創建好，可以通過irq_to_desc介面去獲取對應的irq_desc； - 創建
irqaction，並初始化該結構體中的各個欄位，其中包括傳入的中斷處理函數賦值給對應的欄位； __setup_irq用於完成中斷的相關設置，包括中斷線程化的處理：- 中斷線程化用於減少系統關中斷的時間，增強系統的實時性；
- ARM64預設開啟了
CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING，引導參數傳入threadirqs時，則除了IRQF_NO_THREAD外的中斷，其他的都將強制線程化處理； - 中斷線程化會為每個中斷都創建一個內核線程，如果中斷進行共用，對應
irqaction將連接成鏈表，每個irqaction都有thread_mask點陣圖欄位，當所有共用中斷都處理完成後才能unmask中斷，解除中斷屏蔽；
3.2 中斷處理
當完成中斷的註冊後，所有結構的組織關係都已經建立好，剩下的工作就是當信號來臨時，進行中斷的處理工作。
來回顧一下【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析中的Arch-specific處理流程：
- 中斷收到之後，首先會跳轉到異常向量表的入口處，進而逐級進行回調處理，最終調用到
generic_handle_irq來進行中斷處理。
generic_handle_irq處理如下圖：
generic_handle_irq函數最終會調用到desc->handle_irq()，這個也就是對應到上文中在建立映射關係的過程中，調用irq_domain_set_info函數，設置好了函數指針，也就是handle_fasteoi_irq和handle_percpu_devid_irq；handle_fasteoi_irq：處理共用中斷，並且遍歷irqaction鏈表，逐個調用action->handler()函數，這個函數正是設備驅動程式調用request_irq/request_threaded_irq介面註冊的中斷處理函數，此外如果中斷線程化處理的話，還會調用__irq_wake_thread()喚醒內核線程；handle_percpu_devid_irq：處理per-CPU中斷處理，在這個過程中會分別調用中斷控制器的處理函數進行硬體操作，該函數調用action->handler()來進行中斷處理；
來看看中斷線程化處理後的喚醒流程吧__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread：
__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread將喚醒irq_thread中斷內核線程；irq_thread內核線程，將根據是否為強制中斷線程化對函數指針handler_fn進行初始化，以便後續進行調用；irq_thread內核線程將while(!irq_wait_for_interrupt)迴圈進行中斷的處理，當滿足條件時，執行handler_fn，在該函數中最終調用action->thread_fn，也就是完成了中斷的處理；irq_wait_for_interrupt函數，將會判斷中斷線程的喚醒條件，如果滿足了，則將當前任務設置成TASK_RUNNING狀態，並返回0，這樣就能執行中斷的處理，否則就調用schedule()進行調度，讓出CPU，並將任務設置成TASK_INTERRUPTIBLE可中斷睡眠狀態；
3.3 總結
中斷的處理，總體來說可以分為兩部分來看：
- 從上到下：圍繞
irq_desc中斷描述符建立好連接關係，這個過程就包括：中斷源信息的解析（設備樹），硬體中斷號到Linux中斷號的映射關係、irq_desc結構的分配及初始化（內部各個結構的組織關係）、中斷的註冊（填充irq_desc結構，包括handler處理函數）等，總而言之，就是完成靜態關係創建，為中斷處理做好準備； - 從下到上，當外設觸發中斷信號時，中斷控制器接收到信號併發送到處理器，此時處理器進行異常模式切換，並逐步從處理器架構相關代碼逐級回調。如果涉及到中斷線程化，則還需要進行中斷內核線程的喚醒操作，最終完成中斷處理函數的執行。
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