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linux内核中断子系统Ⅱ----通用(gic)框架处理

1 概述

2数据结构分析

3 流程分析

3.1 中断注册

3.1.1设备硬件中断号到Linux irq中断号的映射

3.1.2request_irq/request_threaded_irq

3.2 中断处理

3.3 线程中断处理

3.4 总结

1 概述

【原创】Linux关于底层硬件的中断控制器和驱动分析GIC驱动，以及Arch-Specific本文将研究一般的中断处理过程，属于硬件无关层。当然，我建议你看看上一篇文章。

本文将回答两个问题：

  1. 用户如何使用中断？（中断注册）？
  2. 当外设触发中断信号时，如何调用中断信号？handler的（中断处理）？

2数据结构分析

让我们来看看总数据结构。核心是围绕它struct irq_desc来展开：

  • Linux内核的中断处理围绕中断描述符结构struct irq_desc内核提供了两种中断描述符组织形式：

    1. 打开CONFIG_SPARSE_IRQ宏(中断号不连续)radix-tree来组织，用户在初始化时进行动态分配，然后再插入radix-tree中；
    2. 关闭CONFIG_SPARSE_IRQ宏(连续中断编号)，中断描述符以数组的形式组织，并已分配；
    3. 无论哪种形式，最终都可以通过linux irq找到相应的中断描述符；

  • 图左侧灰色部分主要初始化设置在中断控制器驱动中，包括各结构中函数指针的指向等struct irq_chip用于中断控制器的硬件操作，struct irq_domain对应于中断控制器，完成的工作是硬件中断到Linux irq的映射；

  • 图上灰色部分中断了描述符的创建(这是指CONFIG_SPARSE_IRQ），在获取设备中断信息的过程中，使设备树中的中断能够与具体的中断描述一致irq_desc匹配；

  • 图中剩余部分设置在设备注册申请中断过程中，如struct irqaction中handler该设置用于指向我们设备驱动程序中的中断处理函数；

中断处理主要包括以下功能模块：

  1. 硬件中断号到Linux irq中断号映射，创建良好的irq_desc中断描述符；
  2. 中断注册时，先获取设备中断号，根据中断号找到相应的中断号irq_desc，添加设备的中断处理函数irq_desc中；
  3. 当设备触发中断信号时，根据硬件中断号获得Linux irq找到对应的中断号irq_desc，最终调用到设备的中断处理函数；

以上描述相对简单，过程更详细，往下看。

3 流程分析

3.1 中断注册

这一次，让我们以问题的方式展开： 首先，让我们回答第一个问题：用户如何使用中断？

  1. 熟悉设备驱动的学生应该知道，他们经常调用驱动程序request_irq()接口或者request_threaded_irq()接口注册设备中断处理函数；
  2. request_irq()/request_threaded_irq需要在接口中使用irq，也就是中断号，那么这个中断号是从哪里来的呢？Linux irq，它是如何映射到特定硬件设备的中断号的？

3.1.1设备硬件中断号到Linux irq中断号的映射

  • 设备树上的硬件设备中断信息device tree在系统启动过程中，这些信息被加载到内存中并进行分析；
  • 通常用于驱动platform_get_irq或irq_of_parse_and_map根据设备树的信息创建映射关系(硬件中断号到linux irq中断号映射)；
  • 【原创】Linux中断子系统(1)-中断控制器和驱动分析struct irq_domain因此，它被用来完成映射工作irq_create_fwspec_mapping在接口中，会先找到匹配的irq domain，再去回调该irq domain中函数集，通常irq domain在中断控制器驱动中初始化ARM GICv2例如，最终回调到gic_irq_domain_hierarchy_ops中的函数；
  • 如果映射已经创建，可以直接返回linux irq中断号，否则需要irq_domain_alloc_irqs创建映射关系；
  • irq_domain_alloc_irqs完成两项工作：
    1. 针对linux irq创建一个中断号irq_desc中断描述符；
    2. 调用domain->ops->alloc在ARM GICv2驱动中对应gic_irq_domain_alloc函数，这个函数很关键，下面介绍一下；

gic_irq_domain_alloc函数如下：

  • gic_irq_domain_translate：负责分析设备树中描述的中断号和中断触发类型(边缘触发、电平触发等。
  • gic_irq_domain_map：中断硬件号和linux当中断号绑定到一个结构时，就完成了映射。此外，它还被绑定irq_desc结构中的其他字段，最重要的是设置了irq_desc->handle_irq函数指针，这最终是中断响应时向上执行的入口，这是关键，下面将提到中断处理过程；
  • 根据硬件中断号的范围设置irq_desc->handle_irq共享中断入口为指针handle_fasteoi_irq，私有中断入口为handle_percpu_devid_irq；

    • 上述函数执行完成后，完成了两大工作：

    1. 硬件中断号与Linux中断号完成映射，并为Linux中断号创建了irq_desc中断描述符；
    2. 数据结构的绑定及初始化，关键的地方是设置了中断处理往上执行的入口；

    request_irq/request_threaded_irq

    设备驱动中，获取到了irq中断号后，通常就会采用request_irq/request_threaded_irq来注册中断，其中request_irq用于注册普通处理的中断，request_threaded_irq用于注册线程化处理的中断；

    在讲具体的注册流程前，先看一下主要的中断标志位：

    #define IRQF_SHARED		0x00000080              //多个设备共享一个中断号，需要外设硬件支持
#define IRQF_PROBE_SHARED	0x00000100              //中断处理程序允许sharing mismatch发生
#define __IRQF_TIMER		0x00000200              //时钟中断
#define IRQF_PERCPU		0x00000400              //属于特定CPU的中断
#define IRQF_NOBALANCING	0x00000800              //禁止在CPU之间进行中断均衡处理
#define IRQF_IRQPOLL		0x00001000              //中断被用作轮训
#define IRQF_ONESHOT		0x00002000              //一次性触发的中断，不能嵌套，1）在硬件中断处理完成后才能打开中断；2）在中断线程化中保持关闭状态，直到该中断源上的所有thread_fn函数都执行完
#define IRQF_NO_SUSPEND		0x00004000              //系统休眠唤醒操作中，不关闭该中断
#define IRQF_FORCE_RESUME	0x00008000              //系统唤醒过程中必须强制打开该中断
#define IRQF_NO_THREAD		0x00010000              //禁止中断线程化
#define IRQF_EARLY_RESUME	0x00020000              //系统唤醒过程中在syscore阶段resume，而不用等到设备resume阶段
#define IRQF_COND_SUSPEND	0x00040000              //与NO_SUSPEND的用户共享中断时，执行本设备的中断处理函数

    request_irq也是调用request_threaded_irq，只是在传参的时候，线程处理函数thread_fn函数设置成NULL；

    由于在硬件中断号和Linux中断号完成映射后，irq_desc已经创建好，可以通过irq_to_desc接口去获取对应的irq_desc；

    创建irqaction，并初始化该结构体中的各个字段，其中包括传入的中断处理函数赋值给对应的字段；

    __setup_irq用于完成中断的相关设置，包括中断线程化的处理：

    1. 中断线程化用于减少系统关中断的时间，增强系统的实时性；
    2. ARM64默认开启了；
    3. 中断线程化会为每个中断都创建一个内核线程，如果中断进行共享，对应irqaction将连接成链表，每个irqaction都有thread_mask位图字段，当所有共享中断都处理完成后才能unmask中断，解除中断屏蔽；

    3.2 中断处理

    当完成中断的注册后，所有结构的组织关系都已经建立好，剩下的工作就是当信号来临时，进行中断的处理工作。

    来回顾一下【原创】Linux中断子系统（一）-中断控制器及驱动分析中的Arch-specific处理流程：

    • 中断收到之后，首先会跳转到异常向量表的入口处，进而逐级进行回调处理，最终调用到generic_handle_irq来进行中断处理。

    generic_handle_irq处理如下图：

    • generic_handle_irq函数最终会调用到desc->handle_irq()，这个也就是对应到上文中在建立映射关系的过程中，调用irq_domain_set_info函数，设置好了函数指针，也就是handle_fasteoi_irq和handle_percpu_devid_irq；
    • handle_fasteoi_irq：处理共享中断，并且遍历irqaction链表，逐个调用action->handler()函数，这个函数正是设备驱动程序调用request_irq/request_threaded_irq接口注册的中断处理函数，此外如果中断线程化处理的话，还会调用__irq_wake_thread()唤醒内核线程；
    • handle_percpu_devid_irq：处理per-CPU中断处理，在这个过程中会分别调用中断控制器的处理函数进行硬件操作，该函数调用action->handler()来进行中断处理；

    [    6.217119] #### /home/users/quan01.wang/dev_xj3_1029/kernel/drivers/net/ethernet/hobot/hobot_eth.c xj3_poll 4913,hw_eth_rx_idx_test=6,current->comm=swapper/0
[    6.217130] CPU: 0 PID: 0 Comm: swapper/0 Tainted: P                4.14.87 #17
[    6.217137] Hardware name: Hobot J3 SOC MP DVB (DT)
[    6.217143] Call trace:
[    6.217154] [<ffffff8008008ae0>] dump_backtrace+0x0/0x3f0
[    6.217162] [<ffffff8008008ee4>] show_stack+0x14/0x20
[    6.217165] [<ffffff80087a8b98>] dump_stack+0x98/0xb8
[    6.217169] [<ffffff80084a4484>] xj3_poll+0xbec/0xc00
[    6.217174] [<ffffff800863ceb8>] net_rx_action+0x358/0x3f0
[    6.217177] [<ffffff8008001008>] __do_softirq+0x110/0x1fc
[    6.217181] [<ffffff8008026070>] irq_exit+0xd8/0x108
[    6.217184] [<ffffff8008066c30>] __handle_domain_irq+0x60/0xb8
[    6.217187] [<ffffff8008000d58>] gic_handle_irq+0x58/0xb0
[    6.217190] Exception stack(0xffffff8008ab3de0 to 0xffffff8008ab3f20)
[    6.217194] 3de0: 0000000000000020 000000407648b000 0000000000000000 ffffff8008a9e810
[    6.217198] 3e00: ffffff8008a9e7d8 ffffff8008ab3f10 000000407648b000 000000407648b000
[    6.217202] 3e20: 00000000000000ff ffffffc07ef2bd80 0000000000000001 ffffff80087d8648
[    6.217205] 3e40: 0000000000000000 0000000000000001 0000000000000001 0000000000000000
[    6.217209] 3e60: ffffff8008024f20 0000007f9bbb0600 0000000000000060 ffffff8008a9c000
[    6.217214] 3e80: ffffff8008ab8a2c ffffff8008ab89a0 ffffff8008ac2580 ffffff8008ac2580
[    6.217217] 3ea0: ffffff8008a6e028 0000000034d5d915 0000000004001e9c 0000000000000400
[    6.217221] 3ec0: 0000000000c20018 ffffff8008ab3f20 ffffff80080048ac ffffff8008ab3f20
[    6.217225] 3ee0: ffffff80080048b0 0000000060000145 0000000034d5d915 0000000004001e9c
[    6.217229] 3f00: ffffffffffffffff ffffff8008059004 ffffff8008ab3f20 ffffff80080048b0
[    6.217232] [<ffffff8008002830>] el1_irq+0xb0/0x140
[    6.217236] [<ffffff80080048b0>] arch_cpu_idle+0x10/0x18
[    6.217241] [<ffffff8008059038>] do_idle+0xd8/0x118
[    6.217245] [<ffffff8008059158>] cpu_startup_entry+0x20/0x28
[    6.217249] [<ffffff80087b957c>] rest_init+0xac/0xb8
[    6.217252] [<ffffff8008a20b38>] start_kernel+0x340/0x354
[    6.217276] arp: #### /home/users/quan01.wang/dev_xj3_1029/kernel/net/ipv4/arp.c arp_process 825,dev_type=1,ar_op=256,ar_pro=8
[    6.218784] #### /home/users/quan01.wang/dev_xj3_1029/kernel/drivers/net/ethernet/hobot/hobot_eth.c xj3_interrupt 3149,hw_eth_xj3_interrupt_idx_test=8,current->comm=swapper/0
[    6.218788] CPU: 0 PID: 0 Comm: swapper/0 Tainted: P                4.14.87 #17
[    6.218789] Hardware name: Hobot J3 SOC MP DVB (DT)
[    6.218791] Call trace:
[    6.218795] [<ffffff8008008ae0>] dump_backtrace+0x0/0x3f0
[    6.218800] [<ffffff8008008ee4>] show_stack+0x14/0x20
[    6.218803] [<ffffff80087a8b98>] dump_stack+0x98/0xb8
[    6.218807] [<ffffff80084a1028>] xj3_interrupt+0xa78/0xa88
[    6.218811] [<ffffff80080674a4>] __handle_irq_event_percpu+0x8c/0xe8
[    6.218814] [<ffffff8008067540>] handle_irq_event_percpu+0x40/0x88
[    6.218818] [<ffffff80080675cc>] handle_irq_event+0x44/0x78
[    6.218821] [<ffffff800806b184>] handle_fasteoi_irq+0x9c/0x190
[    6.218826] [<ffffff80080665fc>] generic_handle_irq+0x24/0x38
[    6.218829] [<ffffff8008066c2c>] __handle_domain_irq+0x5c/0xb8
[    6.218833] [<ffffff8008000d58>] gic_handle_irq+0x58/0xb0
[    6.218835] Exception stack(0xffffffc07ef335e0 to 0xffffffc07ef33720)
[    6.218839] 35e0: ffffffffffffffff 00000000fffee11a 0000000000000000 0000000000000030
[    6.218843] 3600: 0000000000000000 0000000000000011 0000000000000002 0000000078bd8a81
[    6.218847] 3620: ffffffbf00000000 ffffff800c989000 ffffffc07c447000 ffffff80080168c0
[    6.218851] 3640: 0000000000000001 0000000000000000 00000000c0a8016f 0000000000000000
[    6.218855] 3660: 0000000000000000 ffffff800887dda0 0000000000000000 ffffff8008aaa000
[    6.218859] 3680: 000000407648b000 ffffff8008ab6000 0000000000000128 0000000000000001
[    6.218863] 36a0: ffffffc07ef337a0 ffffffc07ef35000 ffffff8008a9c000 ffffffc07a8fc9b8
[    6.218867] 36c0: 0000000000000004 ffffffc07ef33720 ffffff800863ceb8 ffffffc07ef33720
[    6.218871] 36e0: ffffff800863cca4 0000000020000145 ffffffc07a8fc9b8 0000000000000000
[    6.218875] 3700: 0000007fffffffff ffffffc07a8fc000 ffffffc07ef33720 ffffff800863cca4
[    6.218878] [<ffffff8008002830>] el1_irq+0xb0/0x140
[    6.218882] [<ffffff800863cca4>] net_rx_action+0x144/0x3f0
[    6.218886] [<ffffff8008001008>] __do_softirq+0x110/0x1fc
[    6.218889] [<ffffff8008026070>] irq_exit+0xd8/0x108
[    6.218893] [<ffffff8008066c30>] __handle_domain_irq+0x60/0xb8
[    6.218896] [<ffffff8008000d58>] gic_handle_irq+0x58/0xb0
[    6.218898] Exception stack(0xffffff8008ab3de0 to 0xffffff8008ab3f20)
[    6.218902] 3de0: 0000000000000020 000000407648b000 0000000000000000 ffffff8008a9e810
[    6.218906] 3e00: ffffff8008a9e7d8 ffffff8008ab3f10 000000407648b000 000000407648b000
[    6.218910] 3e20: 00000000000000ff ffffffc07ef2bd80 0000000000000001 ffffff80087d8648
[    6.218914] 3e40: 0000000000000000 0000000000000001 0000000000000001 0000000000000000
[    6.218918] 3e60: ffffff8008024f20 0000007f9bbb0600 0000000000000060 ffffff8008a9c000
[    6.218922] 3e80: ffffff8008ab8a2c ffffff8008ab89a0 ffffff8008ac2580 ffffff8008ac2580
[    6.218925] 3ea0: ffffff8008a6e028 0000000034d5d915 0000000004001e9c 0000000000000400
[    6.218929] 3ec0: 0000000000c20018 ffffff8008ab3f20 ffffff80080048ac ffffff8008ab3f20
[    6.218933] 3ee0: ffffff80080048b0 0000000060000145 0000000034d5d915 0000000004001e9c
[    6.218937] 3f00: ffffffffffffffff ffffff8008059004 ffffff8008ab3f20 ffffff80080048b0
[    6.218941] [<ffffff8008002830>] el1_irq+0xb0/0x140
[    6.218944] [<ffffff80080048b0>] arch_cpu_idle+0x10/0x18
[    6.218949] [<ffffff8008059038>] do_idle+0xd8/0x118
[    6.218953] [<ffffff8008059158>] cpu_startup_entry+0x20/0x28
[    6.218956] [<ffffff80087b957c>] rest_init+0xac/0xb8
[    6.218960] [<ffffff8008a20b38>] start_kernel+0x340/0x354

    3.3 中断处理线程化

    回顾一下注册中断映射的流程如果使能了中断线程化force_irqthreads，此时调用了 irq_setup_forced_threading函数重新映射 注册 handler 函数为 irq_default_primary_handler（该函数返回唤醒中断线程）。同时重定向了 thread_fn 为 handler 即设备驱动程序调用request_irq/request_threaded_irq接口注册的中断处理函数，thread_fn在线程入口函数中的irq_forced_thread_fn 得到调用;

    static int irq_setup_forced_threading(struct irqaction *new)
{
	if (!force_irqthreads)
		return 0;
    ...
	new->thread_fn = new->handler;
	new->handler = irq_default_primary_handler;
	return 0;
}

static irqreturn_t irq_default_primary_handler(int irq, void *dev_id)
{
	return IRQ_WAKE_THREAD;
}

irqreturn_t __handle_irq_event_percpu(struct irq_desc *desc, unsigned int *flags)
{
	irqreturn_t retval = IRQ_NONE;
	unsigned int irq = desc->irq_data.irq;
	struct irqaction *action;

	record_irq_time(desc);

	for_each_action_of_desc(desc, action) {
		irqreturn_t res;

		trace_irq_handler_entry(irq, action);
		res = action->handler(irq, action->dev_id);//irq_default_primary_handler
		trace_irq_handler_exit(irq, action, res);

		switch (res) {
		case IRQ_WAKE_THREAD:
            ...
			__irq_wake_thread(desc, action);
		case IRQ_HANDLED:
			*flags |= action->flags;
			break;

		default:
			break;
		}

		retval |= res;
	}

	return retval;
}

static irqreturn_t
irq_forced_thread_fn(struct irq_desc *desc, struct irqaction *action){
	irqreturn_t ret;
    ...
	ret = action->thread_fn(action->irq, action->dev_id);
    ...
}

    下面来看看中断线程化处理后的唤醒流程吧__handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread：

    • __handle_irq_event_percpu->__irq_wake_thread将唤醒irq_thread中断内核线程；
    • irq_thread内核线程，将根据是否为强制中断线程化对函数指针handler_fn进行初始化，以便后续进行调用；
    • irq_thread内核线程将while(!irq_wait_for_interrupt)循环进行中断的处理，当满足条件时，执行handler_fn，在该函数中最终调用action->thread_fn，也就是完成了中断的处理；
    • irq_wait_for_interrupt函数，将会判断中断线程的唤醒条件，如果满足了，则将当前任务设置成TASK_RUNNING状态，并返回0，这样就能执行中断的处理，否则就调用schedule()进行调度，让出CPU，并将任务设置成TASK_INTERRUPTIBLE可中断睡眠状态；

    [ 	 4.764399] #### /home/users/quan01.wang/dev_xj3_1029/kernel/drivers/net/ethernet/hobot/hobot_eth.c xj3_interrupt 3149,hw_eth_xj3_interrupt_idx_test=0,current->comm=irq/44-eth%d
[    4.764407] CPU: 2 PID: 949 Comm: irq/44-eth%d Tainted: P                4.14.87 #17
[    4.764409] Hardware name: Hobot J3 SOC MP DVB (DT)
[    4.764411] Call trace:
[    4.764422] [<ffffff8008008ae0>] dump_backtrace+0x0/0x3f0
[    4.764427] [<ffffff8008008ee4>] show_stack+0x14/0x20
[    4.764432] [<ffffff80087a8b98>] dump_stack+0x98/0xb8
[    4.764438] [<ffffff80084a1028>] xj3_interrupt+0xa78/0xa88
[    4.764443] [<ffffff80080684b8>] irq_forced_thread_fn+0x38/0xd0
[    4.764447] [<ffffff80080687b8>] irq_thread+0x120/0x1a8
[    4.764452] [<ffffff800803e64c>] kthread+0xfc/0x128
[    4.764456] [<ffffff80080041d0>] ret_from_fork+0x10/0x18
[    4.764471] st_gmac a5014000.ethernet: Link is Up - 1000/Full
[    4.764500] IPv6: ADDRCONF(NETDEV_CHANGE): eth0: link becomes ready
[    5.117079] #### /home/users/quan01.wang/dev_xj3_1029/kernel/drivers/net/ethernet/hobot/hobot_eth.c xj3_interrupt 3149,hw_eth_xj3_interrupt_idx_test=1,current->comm=irq/43-eth-tx
[    5.117084] CPU: 2 PID: 950 Comm: irq/43-eth-tx Tainted: P                4.14.87 #17
[    5.117086] Hardware name: Hobot J3 SOC MP DVB (DT)
[    5.117088] Call trace:
[    5.117095] [<ffffff8008008ae0>] dump_backtrace+0x0/0x3f0
[    5.117100] [<ffffff8008008ee4>] show_stack+0x14/0x20
[    5.117104] [<ffffff80087a8b98>] dump_stack+0x98/0xb8
[    5.117110] [<ffffff80084a1028>] xj3_interrupt+0xa78/0xa88
[    5.117115] [<ffffff80080684b8>] irq_forced_thread_fn+0x38/0xd0
[    5.117119] [<ffffff80080687b8>] irq_thread+0x120/0x1a8
[    5.117123] [<ffffff800803e64c>] kthread+0xfc/0x128
[    5.117127] [<ffffff80080041d0>] ret_from_fork+0x10/0x18
[    5.117137] #### /home/users/quan01.wang/dev_xj3_1029/kernel/drivers/net/ethernet/hobot/hobot_eth.c xj3_poll 4913,hw_eth_rx_idx_test=0,current->comm=irq/43-eth-tx
[    5.117140] CPU: 2 PID: 950 Comm: irq/43-eth-tx Tainted: P                4.14.87 #17
[    5.117142] Hardware name: Hobot J3 SOC MP DVB (DT)
[    5.117143] Call trace:
[    5.117147] [<ffffff8008008ae0>] dump_backtrace+0x0/0x3f0
[    5.117151] [<ffffff8008008ee4>] show_stack+0x14/0x20
[    5.117155] [<ffffff80087a8b98>] dump_stack+0x98/0xb8
[    5.117159] [<ffffff80084a4484>] xj3_poll+0xbec/0xc00
[    5.117165] [<ffffff800863ceb8>] net_rx_action+0x358/0x3f0
[    5.117169] [<ffffff8008001008>] __do_softirq+0x110/0x1fc
[    5.117173] [<ffffff8008025acc>] do_softirq.part.2+0x5c/0x60
[    5.117176] [<ffffff8008025b74>] __local_bh_enable_ip+0xa4/0xa8
[    5.117180] [<ffffff8008068504>] irq_forced_thread_fn+0x84/0xd0
[    5.117183] [<ffffff80080687b8>] irq_thread+0x120/0x1a8
[    5.117187] [<ffffff800803e64c>] kthread+0xfc/0x128
[    5.117191] [<ffffff80080041d0>] ret_from_fork+0x10/0x18
[    5.405868] st_gmac a5014000.ethernet eth0: Link is Up - 1Gbps/Full - flow control rx/tx

    3.4 总结

    中断的处理，总体来说可以分为两部分来看：

    1. 从上到下：围绕irq_desc中断描述符建立好连接关系，这个过程就包括：中断源信息的解析（设备树），硬件中断号到Linux中断号的映射关系、irq_desc结构的分配及初始化（内部各个结构的组织关系）、中断的注册（填充irq_desc结构，包括handler处理函数）等，总而言之，就是完成静态关系创建，为中断处理做好准备；
    2. 从下到上，当外设触发中断信号时，中断控制器接收到信号并发送到处理器，此时处理器进行异常模式切换，并逐步从处理器架构相关代码逐级回调。如果涉及到中断线程化，则还需要进行中断内核线程的唤醒操作，最终完成中断处理函数的执行。

标签： 连接器gic

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