Linux中断体系结构

1.中断处理体系结构

Linux内核将所有中断统一编号，使用一个irq_desc结构数组来描述这些中断。

数组声明在/linux/kernel/irq/handle.c中，其中#define NR_IRQS 128，定义在/linux/include/asm/irq.h中

/*
 * Linux has a controller-independent interrupt architecture.
 * Every controller has a 'controller-template', that is used
 * by the main code to do the right thing. Each driver-visible
 * interrupt source is transparently wired to the appropriate
 * controller. Thus drivers need not be aware of the
 * interrupt-controller.
 *
 * The code is designed to be easily extended with new/different
 * interrupt controllers, without having to do assembly magic or
 * having to touch the generic code.
 *
 * Controller mappings for all interrupt sources:
 */
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
    }
};

irq_desc结构的数据类型在/linuxinclude/linux/irq.h中定义，

struct irq_desc {
    irq_flow_handler_t    handle_irq;
    struct irq_chip        *chip;
    struct msi_desc        *msi_desc;
    void            *handler_data;
    void            *chip_data;
    struct irqaction    *action;    /* IRQ action list */
    unsigned int        status;        /* IRQ status */

    unsigned int        depth;        /* nested irq disables */
    unsigned int        wake_depth;    /* nested wake enables */
    unsigned int        irq_count;    /* For detecting broken IRQs */
    unsigned int        irqs_unhandled;
    spinlock_t        lock;
#ifdef CONFIG_SMP
    cpumask_t        affinity;
    unsigned int        cpu;
#endif
#if defined(CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ) || defined(CONFIG_IRQBALANCE)
    cpumask_t        pending_mask;
#endif
#ifdef CONFIG_PROC_FS
    struct proc_dir_entry    *dir;
#endif
    const char        *name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

handle_irq是这个或这组中断的处理函数入口。发生中断时，总入口函数asm_do_IRQ将根据中断号调用相应irq_desc数组项中handle_irq.

typedef    void fastcall (*irq_flow_handler_t)(unsigned int irq,                struct irq_desc *desc);

handle_irq使用chip结构中的函数清除、屏蔽或者重新使能中断，还要调用用户在action链表中注册的中断处理函数。irq_chip结构类型也是在include/linux/irq.h中定义，其中的成员大多用于操作底层硬件，比如设置寄存器以屏蔽中断，使能中断，清除中断等。注意这里的成员name会出现在/proc/interrupts中。

struct irq_chip {
    const char    *name;
    unsigned int    (*startup)(unsigned int irq);
    void        (*shutdown)(unsigned int irq);
    void        (*enable)(unsigned int irq);
    void        (*disable)(unsigned int irq);

    void        (*ack)(unsigned int irq);
    void        (*mask)(unsigned int irq);
    void        (*mask_ack)(unsigned int irq);
    void        (*unmask)(unsigned int irq);
    void        (*eoi)(unsigned int irq);

    void        (*end)(unsigned int irq);
    void        (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest);
    int        (*retrigger)(unsigned int irq);
    int        (*set_type)(unsigned int irq, unsigned int flow_type);
    int        (*set_wake)(unsigned int irq, unsigned int on);

    /* Currently used only by UML, might disappear one day.*/
#ifdef CONFIG_IRQ_RELEASE_METHOD
    void        (*release)(unsigned int irq, void *dev_id);
#endif
    /*
     * For compatibility, ->typename is copied into ->name.
     * Will disappear.
     */
    const char    *typename;
};

irq_desc结构中的irqaction结构类型在include/linux/iterrupt.h中定义。用户注册的每个中断处理函数用一个irqaction结构来表示，一个中断比如共享中断可以有多个处理函数，它们的irqaction结构链接成一个链表，以action为表头。irqation结构在linux/include/linux/interrupt.h中定义如下：

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

struct irqaction {
    irq_handler_t handler;
    unsigned long flags;
    cpumask_t mask;
    const char *name;
    void *dev_id;
    struct irqaction *next;
    int irq;
    struct proc_dir_entry *dir;
};

 irq_desc结构数组、它的成员“struct irq_chip *chip” "struct irqaction *action",这3种数据结构构成了中断处理体系的框架。下图中描述了Linxu中断处理体系结构的关系图：

中断处理流程如下
(1)发生中断时，CPU执行异常向量vector_irq的代码
(2)在vector_irq里面，最终会调用中断处理的总入口函数asm_do_IRQ
(3)asm_do_IRQ根据中断号调用irq_desc数组项中的handle_irq。
(4)handle_irq会使用chip成员中的函数来设置硬件，比如清除中断、禁止中断、重新使能中断等
(5)handle_irq逐个调用用户在aciton链表中注册的处理函数
   中断体系结构的初始化就是构造这些数据结构，比如irq_desc数组项中的handle_irq、chip等成员；用户注册中断时就是构造action链表；用户卸载中断时就是从action链表中去除不需要的项。

 

2.中断处理体系结构的初始化

init_IRQ函数被用来初始化中断处理体系结构，代码在arch/arm/kernel/irq.c中

void __init init_IRQ(void)
{
    int irq;

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

#ifdef CONFIG_SMP
    bad_irq_desc.affinity = CPU_MASK_ALL;
    bad_irq_desc.cpu = smp_processor_id();
#endif
    init_arch_irq();
}

下面简单分析下init_arch_irq();的获取过程及调用顺序

/*
init_arch_irq()的由来
定义一个空函数指针void (*init_arch_irq)(void) __initdata = NULL;
*/
asmlinkage void __init start_kernel(void)
    -->setup_arch(&command_line);
        -->init_arch_irq = mdesc->init_irq;
    -->init_IRQ();    
        -->init_arch_irq()//即mdesc->init_irq=s3c24xx_init_irq

上述machine_desc结构在/linux/arch/arm/mach-s3c2410/mach-bast.c如下宏中获得，后面会分析machine_desc结构。

MACHINE_START(BAST, "Simtec-BAST")
    //Maintainer: Ben Dooks <ben@simtec.co.uk> 
    .phys_io    = S3C2410_PA_UART,
    .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
    .boot_params    = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,
    .map_io        = bast_map_io,
    .init_irq    = s3c24xx_init_irq,
    .init_machine    = bast_init,
    .timer        = &s3c24xx_timer,
MACHINE_END

对于S3C2440开发板，这个函数就是s3c24xx_init_irq,移植machine_desc结构中的init_irq成员就指向这个函数s3c24xx_init_irq函数在arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c中定义，它为所有中断设置了芯片相关的数据结构（irq_desc[irq].chip），设置了处理函数入口（irq_desc[irq].handle_irq）。

 以外部中断EINT4-EINT23为例，用来设置它们的代码如下：

void __init s3c24xx_init_irq(void)
{
    ...
    
    for (irqno = IRQ_EINT4; irqno <= IRQ_EINT23; irqno++) {
        irqdbf("registering irq %d (extended s3c irq)
", irqno);
        set_irq_chip(irqno, &s3c_irqext_chip);
        set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq);
        set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID);
    }
    ...    
    
}

set_irq_chip函数的作用就是“irq_desc[irno].chip = &s3c_irqext_chip”,以后就可能通过irq_desc[irqno].chip结构中的函数指针设置这些外部中断的触发方式（电平触发，边沿触发），使能中断，禁止中断。

set_irq_chip函数的作用就是“irq_desc[irno].handler_irq = handle_edge_irq”，设置这些中断的处理函数入口为handle_edge_irq。发生中断时handle_edge_irq函数会调用用户注册的具体处理函数；

set_irq_flags设置中断标志为“IRQF_VALID”，表示可以使用它们。

init_IRQ函数执行完后，irq_desc数组项的chip,handl_irq成员都被设置。

3.用户注册中断过程分析

调用/linux/kernel/irq/manage.c中的request_irq函数。

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)
    -->struct irqaction *action = kmalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_ATOMIC);
    -->action->handler = handler;
    -->action->flags = irqflags;
    -->cpus_clear(action->mask);
    -->action->name = devname;
    -->action->next = NULL;
    -->action->dev_id = dev_id;
    -->retval = setup_irq(irq, action);
        -->request_irq函数根据中断号找到irq_desc数组项，然后在它的action链表添加一个表
        -->irq_chip_set_defaults(desc->chip);//chip成员在init_IRQ()中已经设置，这里设置其中还没有设置的。
        -->设置中断触发方式
        -->启动中断

3.1将新建的irqaction结构链入irq_desc[irq]结构的action链表中

这有两种可能。如果action链表为空，则直接链入；否则先判断新建的irqaction结构和链表中的irqaction结构所表示的中断类型是否一致，即是否都声明为"可共享的"（IRQF_SHARED)、是否都使用相同的触发方式，如果一致，则将新建的irqation结构链入。
3.2设置irq_desc[irq]结构中chip成员的还没设置的指针

让它们指向一些默认函数。chip成员在init_IRQ函数初始化中断体系结构的时候已经设置了，这里只是设置其中还没设置的指针这通过irq_chip_set_defaults函数来完成，它在kernel/irq/chip.c中定义

3.3设置中断的触发方式

如果requestt_irq传入的irqflags参数表示中断的触发方式为高低电平触发/边沿触发，则调用irq_desc[irq]结构中的chip-.set_type成员函数来进行设置：设置引脚功能为外部中断，设置中断触发方式。

3.4启动中断

如果irq_desc[irq]结构中status成员没有被指明IRQ_NOAUTOEN（表示注册中断时不要使用中断），还要调用chip->startup或chip->enable来启动中断，所谓启动中断通常就是使用中断。一般情况下，只有那些“可以自动使能的”中断对应的irq_desc[irq].status才会被指明为IRQ_NOAUTOEN，所以，无论哪种情况，执行request_irq注册中断之后，这个中断就已经被使能了。

//-----------------------------------------------

/*
NR_IRQS定义in linux/arch/arm/plat-s3c64xx/include/mach/irqs.h
*/
#define NR_IRQS (IRQ_EINT_GROUP9_BASE + IRQ_EINT_GROUP9_NR + 1)

asmlinkage void __init start_kernel(void)
-->early_irq_init();
-->init_IRQ();
-->init_arch_irq();

/*
arch/arm/kernel/irq.c中声明init_arch_irq函数指针
*/
void (*init_arch_irq)(void) __initdata = NULL; /*全局函数指针*/
void __init setup_arch(char **cmdline_p)
-->init_arch_irq = mdesc->init_irq;//s3c6410_init_irq

/*
linux/arch/arm/mach-s3c6410/mach-smdk6410.c中定义machine_desc结构体
*/
MACHINE_START(SMDK6410, "SMDK6410")
/* Maintainer: Ben Dooks <ben@fluff.org> */
.phys_io = S3C_PA_UART & 0xfff00000,
.io_pg_offst = (((u32)S3C_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
.boot_params = S3C64XX_PA_SDRAM + 0x100,

.init_irq = s3c6410_init_irq,
.map_io = smdk6410_map_io,
.init_machine = smdk6410_machine_init,
.timer = &s3c24xx_timer,
MACHINE_END

/*
s3c6410_init_irq in linux/arch/arm/mach-s3c6410/cpu.c
*/
void __init s3c64xx_init_irq(u32 vic0_valid, u32 vic1_valid)
{
int uart, irq;

printk(KERN_DEBUG "%s: initialising interrupts ", __func__);

/* initialise the pair of VICs */
vic_init(S3C_VA_VIC0, S3C_VIC0_BASE, vic0_valid);
vic_init(S3C_VA_VIC1, S3C_VIC1_BASE, vic1_valid);

/* add the timer sub-irqs */

set_irq_chained_handler(IRQ_TIMER0_VIC, s3c_irq_demux_timer0);
set_irq_chained_handler(IRQ_TIMER1_VIC, s3c_irq_demux_timer1);
set_irq_chained_handler(IRQ_TIMER2_VIC, s3c_irq_demux_timer2);
set_irq_chained_handler(IRQ_TIMER3_VIC, s3c_irq_demux_timer3);
set_irq_chained_handler(IRQ_TIMER4_VIC, s3c_irq_demux_timer4);

for (irq = IRQ_TIMER0; irq <= IRQ_TIMER4; irq++) {
set_irq_chip(irq, &s3c_irq_timer);
set_irq_handler(irq, handle_level_irq);
set_irq_flags(irq, IRQF_VALID);
}

for (uart = 0; uart < ARRAY_SIZE(uart_irqs); uart++)
s3c64xx_uart_irq(&uart_irqs[uart]);
}

#define IRQ_EINT_GROUP(group, no) (IRQ_EINT_GROUP##group##_BASE + (no))
/*
IRQ_EINT_GROUP(1, 3)展开为
IRQ_EINT_GROUP1_BASE + 3
*/