第7章中断和中断处理

任何操作系统内核的核心任务，都包含有对连接到计算机上的硬件设备进行有效管理，这就需要提供一种机制，让硬件在需要的时候再向内核发出信号，这就是中断机制。

一、中断

中断使得硬件得以发出通知给处理器。中断的本质是一种特殊的电信号，由硬件设备发向处理器。处理器接收到中断后，会马上向操作系统反映此信号的到来，然后就由操作系统负责处理这些新到来的数据。不同的设备对应的中断不同，每个中断都通过一个唯一的数字标志（中断值），操作系统才能给不同的中断提供对应的中断处理程序。这些中断值被称为中断请求（IRQ）线，每个IRQ线都会被关联一个数值量。

异常与中断不同，异常在产生时必须考虑与处理器时钟同步，而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，异常也称为同步中断。

二、中断处理程序

在响应一个特定的中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序interrupt handler（或者中断处理例程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其驱动程序的一部分，设备驱动程序是对设备进行管理的内核代码。

中断处理程序是被内核调用来响应中断的，运行于中断上下文（原子上下文）的特殊上下文中，该上下文的执行代码不可阻塞。

三、上半部与下半部的对比

中断处理程序既要负责通知硬件设备中断已经接收，又要处理接收到中断后的大量工作。一般把中断处理切分为两部分：

中断处理程序是上半部（top half）：接收到一个中断，立即开始执行，但只做有严格时限的工作，例如对中断进行应答或者复位硬件；
能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部（bottom half）中。

以网卡为例，当网卡接收到来自网络的数据包时，需要发送中断通知内核数据包到了。（1）上半部：内核通过执行网卡已注册的中断处理程序来作出应答。中断开始执行，通知硬件，拷贝最新的网络数据包到内存，然后读取网卡更多的数据包。网络数据包被拷贝到系统内存后，中断的任务完成了，这时内核将控制权交还给系统被中断前允许的程序。（2）下半部：处理和操作数据包的其他工作在下半部进行。

四、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。每个设备都有相关的驱动程序，如果设备使用中断，那么相应的驱动程序就注册一个中断处理程序。

驱动程序可以通过request_irq()函数注册一个中断处理程序，并且激活给定的中断线，以处理中断：

// 分配一条给定的中断线
int request_irq(
  unsigned int irq,   // 中断号
  irq_handler_t handler,  // 指向处理该中断的实际中断处理程序 
                          // typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *)
  unsigned long flags, // 若为IRQF_SHARED，表示可以在多个中断处理程序之间共享中断线；否则每条线上只能有一个处理程序。
  const char *name,
  void *dev // 用于共享中断线，dev提供唯一的标志信息（cookie），
            // 以便从共享中断线的多个中断处理程序中指定其中一个。
            // 内核每次调用中断处理程序时，都会把这个指针传递给它。
)

request_irq可能会休眠！

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：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev)

五、编写中断处理程序

中断处理程序声明：

static irqreturn_t intr_handler(
  int irq,    // 要处理的中断的中断号
  void *dev // 通用指针，一般指向相应设置的设备结构，唯一
);

返回值：
IRQ_NONE：中断对应的设备不是注册处理函数期间指定的产生源
IRQ_HANDLED

Linux中的中断处理程序是无需重入的。当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，以防止在同一中断线上接收到另一个新的中断。通常情况下，所有其他的中断都是打开的，所以这些不同中断线上的其他中断都能被处理，但当前的中断线总是被禁止的。因此，同一个中断线处理程序绝不会被同时调用以处理嵌套的中断。

共享的中断处理程序：

request_irq的参数flags必须设置IRQF_SHARED标志
对于每个注册的中断处理程序，dev参数必须唯一
中断处理程序必须能够区分它的设备是否产生了中断

内核接收一个中断后，将依次调用该中断线上注册的每一个处理程序。因此，一个处理程序必须知道它是否应该为这个中断负责。若与它相关的设备并没有产生中断，那么中断处理程序应该立即退出。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。

六、中断处理机制的实现

image.png

七、中断控制

一般来说，控制中断系统的原因归根结底是需要提供同步。

锁提供保护机制，防止来自其他处理器的并发访问；
禁止中断提供保护机制，防止来自其它中断处理程序的并发访问。