linux之中断子系统介绍（1）

1.中断介绍

中        断是指CPU在正常执行指令过程中，出现了突发且紧急的事件，CPU必须暂时停止执行当前的程序，跳转到处理突发事件的指令处执行，处理完毕后返回到原来的指令处继续执行。根据中断的来源，中断可分为内部中断和外部中断，内部中断来源于CPU内部，如软件中断指令、除法错误、溢出等，外部中断来自于CPU外部，由外设产生，如串口收到数据产生中断、定时器到期产生中断。根据中断入口跳转方法可分为向量中断和非向量中断，CPU通常为向量中断分配不通的中断号，中断到来后，就自动跳转到该中断号对应的地址处执行，非向量中断共享一个入口地址，进入该地址后，通过判断中断标志确定中断源。

2.Linux中断框架介绍

中断服务程序是在关中断的状态下执行，如果中断服务程序执行的时间过长，会使其他进程得不到调度执行，系统不能响应其他中断，导致系统的实时性和性能降低。为了解决这个问题，Linux将中断服务程序分为两部分，即顶半部分（Top Half）和底半部分（Bottom Half）。顶半部分是在关中断的状态下进行，此阶段不能响应中断，顶半部分用于完成尽量短且比较紧急的工作，如获取中断状态、登记中断、清除中断状态，登记的中断在底半部分处理。底半部分是在开中断的状态下进行，此阶段可以响应中断，底半部分用来处理顶半部分登记的中断，主要是一些复杂且耗时的工作，如拷贝数据、解析数据等工作。当然，中断处理是否一定要分为顶半部分和底半部分，需要根据实际的中断任务确定，对于一些简单的任务，可以直接在顶半部分完成。
Linux内核支持众多的处理器体系结构，中断子系统非常复杂，但根据其功能，可大致分为四部分：
（1）硬件层，例如CPU和中断控制器的连接，硬件中断号，中断触发方式等
（2）处理器的异常处理模式，例如CPU如何处理不同异常（中断也是一种异常），如何进入异常和如何退出异常
（3）中断控制器的管理，例如硬件中断号和软件中断号的映射，中断控制器的操作
（4）Linux内核通用中断处理层，此部分屏蔽了硬件之间的差异，提供了通用的中断处理的框架，向上提供中断处理的统一接口，如注册和注销中断等，向下兼容所有体系结构。
 

3.ARM处理器异常处理模式

ARMv7-A and ARMv7-R架构支持9种处理器运行模式，其中6种为特权模式，1种为非特权模式，剩下2种和虚拟化、安全相关。特权模式分别为FIQ（快速中断）、IRQ（中断）、Supervisor、Abort、Undefined、System，操作系统通常运行在Supervisor模式下。非特权模式为User mode，即用户模式，应用程序就在此模式下运行。特权模式中除了System，其他模式又称为异常模式，中断也属于异常的一种。ARM架构处理器运行模式可参考《Cortex-A Series Programmer’s Guide》第11节。
ARM处理器对中断的响应过程如下：
（1）CPU自动保存处理器状态，即将中断发生时的CPSR寄存器内容保存到SPSR_irq寄存器中
（2）CPU自动设置当前程序状态寄存器CPSR的低5位，使处理器进入特权模式中的IRQ模式（Linux不使用FIQ，只使用IRQ）
（3）硬件自动关闭IRQ中断
（4）将返回地址（PC）自动保存到LR_irq寄存器中
（5）CPU自动的将程序计数器PC设置成异常中断向量表中的地址，进入相应的异常处理程序中处理中断
（6）处理完中断后，恢复中断发生前的处理器状态，即将SPSR_irq寄存器中的数据复制到CPSR寄存器中
（7）设置程序计数器PC，使其指向中断发生前要执行的指令，即将LR_irq寄存器中的数据复制到PC中
异常处理程序的入口地址保存在中断向量表中，如下图所示。中断向量表正常情况下位于0x0-0x1C地址处，处于内存中的低地址。也有可能位于高地址处，即0xFFFF0000-0xFFFF001C处，Linux中断向量表通常位于内存的高地址处，因为0-3G为用户空间，3-4G为内核空间，中断向量表属于内核空间。我们关心的IRQ中断向量的地址为0x1C或者0xFFFF001C。需要注意的是上述地址都为虚拟地址。
 

arm处理器内部的寄存器数量相比x86架构的处理器要多一些，某些cpu模式还拥有专用的寄存器，arm处理器寄存器和处理器模式的对应关系如下图所示。所有模式共用PC和CPSR；除了FIQ模式，所有模式共用R0-R12寄存器，专用的寄存器有SP、LR及SPSR；FIQ模式下有专用的R8-R12寄存器。

4.Linux内核底层中断处理源代码分析

4.1.中断向量表

4.1.1.中断向量表的定义

Linux的中断向量表中存放的是一系列的跳转指令，用于跳转到异常处理程序的入口处。这里重点关注IRQ中断向量。vector_irq是通过宏定义的标签，由vector_stub定义而来。

    [arch/arm/kernel/entry-armv.S].section .vectors, "ax", %progbits  @ 说明中断向量表的段及属性，ax表示可分配、可执行.L__vectors_start:  @ 中断向量表开始W(b)	vector_rst  @ 复位W(b)	vector_und  @ 未定义W(ldr)	pc, .L__vectors_start + 0x1000  @ 特权指令（svc、swi）入口W(b)	vector_pabt  @ prefetch abortW(b)	vector_dabt  @ data abort W(b)	vector_addrexcptn @ 地址异常W(b)	vector_irq   @ 中断W(b)	vector_fiq   @ 快速中断

4.1.2.中断向量表stubs段

stubs段起到分发中断的作用，使不同的中断跳转到不同的处理程序中去，如中断发生在usr模式，将会跳转到__irq_usr中处理，如中断发生在svc模式，将会跳转到__irq_svc中处理。.macro表示宏，vector_stub是宏的名称，name、mode和correction为参数。correction的默认值为4。将vector_stub irq, IRQ_MODE, 4宏定义展开，则name为irq，mode为0x00000012，correction为4。
 

    [arch/arm/kernel/entry-armv.S].macro	vector_stub, name, mode, correction=0  @ 宏定义开始.align	5vector_\name:  @ \表示使用宏的参数，替换后得到vector_irq，可见中断向量表中的irq跳转指令是跳转到此处.if \correction  @ correction为4，条件成立@ 将lr寄存器数据减4并保存到lr中，lr中保存的是中断返回的地址，这里减4是由于流水线的原因，发生中断的@ 时候pc还未更新，指向了中断发生前执行指令后面的第二条指令，即中断发生前执行指令加8个字节的位置。中@ 断返回后要执行中断发生前执行指令后面的第一条指令，则需要将lr减4。sub	lr, lr, #\correction.endif@ 将r0和lr保存到irq模式的栈中，lr是中断返回的地址stmia	sp, {r0, lr}		@ save r0, lr@ 将spsr保存到lr中mrs	lr, spsr@ 将spsr_irq保存到栈中，此时的spsr为发生中断时的cpsrstr	lr, [sp, #8]		@ save spsr@ 将cpsr保存到r0中mrs	r0, cpsr@ 将r0最后一位设置为1，0x12为irq模式，0x13为svc模式eor	r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE | PSR_ISETSTATE)@ 将r0保存到spsr中，此时spsr中的低5位为0x13，表示svc模式，此时处理器还处于irq模式，还未切换到svc模式msr	spsr_cxsf, r0@ 获取中断发生时cpsr寄存器的低4位，如果低4位为0表示中断发生时cpu处于usr模式（用户空间），@ 如低4位为3，则表示中断发生时cpu处于svc模式（内核空间）and	lr, lr, #0x0f@ 获取标号1的地址，此地址为相对地址，是当前pc的偏移地址THUMB(	adr	r0, 1f			)@ 将表号1的地址和cpsr低四位相加，得到跳转的相对偏移地址，中断发生在usr模式则跳转到__irq_usr，中断发生在svc模式，@ 则跳转到__irq_svcTHUMB(	ldr	lr, [r0, lr, lsl #2]	) @ lsl为左移指令，左移两位，保证地址4字节对齐mov	r0, sp  @ 栈指针保存在r0中@ 将偏移地址和pc相加存放到lr寄存器中ARM(	ldr	lr, [pc, lr, lsl #2]	)@ 将lr中的地址复制到pc中，跳转到__irq_usr或__irq_svc处，同时将spsr的值复制到cpsr，将处理器模式切换到svc模式movs	pc, lr			@ branch to handler in SVC modeENDPROC(vector_\name).align	2@ handler addresses follow this label1:.endm    @ 宏定义结束