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Linux 中斷相關(guān)節(jié)點(diǎn)

/proc/interrupts

cat 這個(gè)節(jié)點(diǎn)，會(huì)打印系統(tǒng)中所有的中斷信息，如果是多核CPU，每個(gè)核都會(huì)打印出來(lái)。

包括每個(gè)中斷的名字、中斷號(hào) IRQ number、每個(gè)中斷的觸發(fā)次數(shù)、在哪個(gè)CPU核處理的、是邊沿觸發(fā)還是電平觸發(fā)，屬于哪個(gè)中斷控制器，都會(huì)打印出來(lái)。

/proc/irq/…

進(jìn)入這個(gè)目錄。會(huì)看到以中斷號(hào)命名的文件夾，每個(gè)中斷號(hào)文件夾下面都有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)了這個(gè)中斷的信息，比如 smp_affinity、affinity_hint、spurious等。smp_affinity 代表中斷號(hào)核CPU之間的親緣綁定關(guān)系，也就是如果某個(gè)中斷號(hào)綁定了一個(gè)CPU核，那么這個(gè)中斷就會(huì)一直在這個(gè)CPU上處理。

如何讓某個(gè)中斷在某個(gè)特定的 CPU 處理?

kernel 2.4 以后的版本才支持把不同的硬件中斷請(qǐng)求(IRQs)分配到特定的 CPU 上，這個(gè)綁定技術(shù)被稱為 SMP IRQ Affinity. 更多介紹請(qǐng)參看 Linux 內(nèi)核源代碼自帶的文檔：linux-4.14/Documentation/IRQ-affinity.txt

/proc/irq/{IRQ}/smp_affinity

/proc/irq/{IRQ}/smp_affinity_list

/proc/irq/{IRQ}/smp_affinity 指定給定的 irq 中斷號(hào)源允許哪些CPU執(zhí)行，它是一個(gè)掩碼位，比如是ff，代表11111111，表示這個(gè)中奪冠可以在 8 個(gè) CPU 執(zhí)行，具體在哪一個(gè) CPU 執(zhí)行，靠分配器分配。

如果這個(gè) /proc/irq/{IRQ}/smp_affinity 指定為 00000001，代表這個(gè)IRQ只能在最后一個(gè)CPU核進(jìn)行處理，其他CPU不允許處理，大家可以測(cè)試一下，博主測(cè)試是 OK 的(GIC支持，其他中斷控制器不一定)。

串口手動(dòng)賦值的重啟以后會(huì)消失，可以在代碼中調(diào)用 irq_set_affinity 函數(shù)，指定中斷的掩碼，來(lái)達(dá)到某個(gè)中斷被固定CPU處理的需求。

中斷分發(fā)機(jī)制

對(duì)于 GIC-V2 而言，SPI 的分發(fā)是根據(jù) Distributor 中的 Interrupt Processor Targets Registers 來(lái)決定的。對(duì)于任何一個(gè) SPI，其都有在某個(gè) GICD_ITARGETSRn 寄存器中有 8 個(gè)bit標(biāo)識(shí)送達(dá)的 processor，如果只有一個(gè) bit 被 set，那么就很簡(jiǎn)單了，如果該中斷是當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的中斷，那么 Distributor 就會(huì)送到對(duì)應(yīng)的 CPU interface，該中斷最終會(huì)送達(dá)指定的 CPU。

如果該中斷對(duì)應(yīng)的 Interrupt Processor Targets Registers 中的那 8 個(gè) bit 有多個(gè) bit 被 set 的話，Distributor 如何處理呢?“依次輪著把產(chǎn)生的中斷給各個(gè) CPU，還是說(shuō)看哪個(gè)CPU有空就給哪個(gè)CPU來(lái)著”，讓硬件處理這么復(fù)雜的邏輯有些不合適，實(shí)際上，GIC 的硬件是不會(huì)進(jìn)行任何判斷的，也不會(huì)集成任何的算法，它就是根據(jù)Interrupt Processor Targets Registers的bit設(shè)定情況，忠實(shí)的把中斷送往指定的一個(gè)processor或者多個(gè)processors。

大家可以去看看 gic_set_affinity 這個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)確保一個(gè)中斷的 Interrupt Processor Targets Registers 中的那8個(gè)bit只有一個(gè)bit被設(shè)定。

/kernel5.15/drivers/irqchip/irq-gic-v3.c

在 1244 和 1246 行，1246 行就是在 online 的 CPU 中選中一個(gè)，1263 行寫入到寄存器中，GIC 會(huì)讀取這個(gè)寄存器，是哪個(gè) CPU，然后將中斷發(fā)給這個(gè)CPU。中間的函數(shù)很簡(jiǎn)單，大家可以自己看。

中斷狀態(tài)機(jī)

對(duì)于 GIC-V2 而言，中斷的狀態(tài)機(jī)由 Distributor 維護(hù)，每個(gè)中斷都有一個(gè)狀態(tài)機(jī)。

Inactive ：中斷未激活(未發(fā)生)。

Pending：中斷到達(dá) GIC ，等待 CPU 的處理。

Active：中斷得到 CPU 的應(yīng)答，中斷被CPU處理。

Active and pending ：某個(gè)中斷正在被 CPU 處理，這時(shí)候該中斷又來(lái)了。

來(lái)看一個(gè)例子：

(a)N 和 M 用來(lái)標(biāo)識(shí)兩個(gè)外設(shè)中斷，N 的優(yōu)先級(jí)大于 M

(b)兩個(gè)中斷都是 SPI 類型，level trigger，active-high

(c)兩個(gè)中斷被配置為去同一個(gè) CPU

(d)都被配置成 group 0，通過(guò) FIQ 觸發(fā)中斷

Linux 搶占機(jī)制

GIC 中斷控制器支持中斷優(yōu)先級(jí)搶占，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)中斷可以搶占一個(gè)低優(yōu)先級(jí)且處于active狀態(tài)的中斷，即GIC仲裁單元會(huì)記錄和比較當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的pending狀態(tài)，然后去搶占當(dāng)前中斷，并且發(fā)送這個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求給CPU。

從GIC角度看，GIC 會(huì)發(fā)送高優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求給CPU。但是CPU不一定響應(yīng)!!!因?yàn)樵谥袛嗵幚磉^(guò)程中，CPU處于關(guān)中斷狀態(tài)(關(guān)閉本CPU)，需要等低優(yōu)先級(jí)中斷處理完畢，直到發(fā)送 EOI 給GIC，然后CPU才會(huì)響應(yīng)pending狀態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的中斷進(jìn)行處理。所以 Linux 下:

1、高優(yōu)先級(jí)中斷無(wú)法搶占正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)中斷。

2、同處于 pending 狀態(tài)的中斷，優(yōu)先響應(yīng)高優(yōu)先級(jí)中斷進(jìn)行處理。

3、同優(yōu)先級(jí)同是 pending 狀態(tài)的中斷，選擇硬件中斷號(hào) ID 最小的一個(gè)發(fā)給CPU。

這樣是可以理解的，如果萬(wàn)一中斷大量爆發(fā)，中斷如果允許嵌套的話，棧會(huì)越來(lái)越大，會(huì)爆掉，所以為了防止這種情況發(fā)生，Linux中中斷不允許嵌套，單CPU中，在一個(gè)中斷處理完之前，不會(huì)相應(yīng)另外一個(gè)中斷，哪怕優(yōu)先級(jí)比它高。

FreeRTOS 中是允許高優(yōu)先級(jí)中斷搶占正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)中斷，不同系統(tǒng)設(shè)定不一樣。

中斷與進(jìn)程

進(jìn)程調(diào)度是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)制， 根據(jù)需求的不同，在不同時(shí)刻會(huì)切換調(diào)度機(jī)制，CPU會(huì)根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、時(shí)間片等信息，對(duì)不同進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度。

中斷可以打斷進(jìn)程的運(yùn)行，任意一個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)都比所有的進(jìn)程高。

在中斷處理過(guò)程中，主要是 GIC 和 CPU 的交互，即便 GIC 支持高優(yōu)先級(jí)中斷搶占正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)中斷，發(fā)信號(hào)給 CPU core，但是 CPU core 可以不處理，因?yàn)?Linux 中當(dāng) CPU core 執(zhí)行中斷處理時(shí)，是關(guān)中斷和關(guān)搶占的狀態(tài)，不再相應(yīng)中斷信號(hào)。

也就意味著，在中斷優(yōu)先級(jí)這個(gè)概念中，只有當(dāng) GIC 同時(shí)存在多個(gè) pending 的中斷，這時(shí)候會(huì)選擇優(yōu)先級(jí)最高的去執(zhí)行，高優(yōu)先級(jí)會(huì)搶占低優(yōu)先級(jí)中斷(哪怕低優(yōu)先級(jí)先來(lái))。如果低優(yōu)先級(jí)中斷處于 active 狀態(tài)，是不可以被搶占的，這是前后關(guān)系。搶占只存在于同時(shí)是pending 狀態(tài)的時(shí)候。

Linux 為什么中斷不允許休眠?

所謂的睡眠，就是調(diào)用 schedule 讓出 CPU，調(diào)度器選擇另外個(gè)進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程涉及進(jìn)程棧空間的切換。

1、假如中斷上下文中調(diào)用 schedule ，此時(shí)獲取的 struct thread info 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是發(fā)生中斷時(shí)該進(jìn)程棧信息，而不是中斷上下文調(diào)用 schedule 時(shí)任何信息。這就導(dǎo)致再也無(wú)法返回中斷上下文中調(diào)用 schedule 的地方。

2、中斷上下文處于關(guān)中斷中，需要發(fā)送個(gè) EOI 通知 GIC 中斷處理結(jié)束，GIC 和CPUinterface 才會(huì)進(jìn)入下一次中斷處理。如果中途 schedule，那么整個(gè)系統(tǒng)的中斷都會(huì)被屏蔽掉。

一般進(jìn)入中斷后，需要關(guān)中斷，也會(huì)關(guān)搶占，同時(shí)注意不可以調(diào)用schedule。

unhandled interrupt 和 spurious interrupt

未處理中斷和虛假中斷

在中斷處理的最后，總會(huì)有一段代碼如下：

irqreturn_t 
handle_irq_event_percpu(struct irq_desc *desc, struct irqaction *action) 
{ 
 
…… 
 
    if (!noirqdebug) 
        note_interrupt(irq, desc, retval); 
    return retval; 
} 

note_interrupt就是進(jìn)行unhandled interrupt和spurious interrupt處理的。對(duì)于這類中斷，linux kernel有一套復(fù)雜的機(jī)制來(lái)處理，你可以通過(guò)command line參數(shù)(noirqdebug)來(lái)控制開關(guān)該功能。

當(dāng)發(fā)生了一個(gè)中斷，但是沒(méi)有被處理(有兩種可能，一種是根本沒(méi)有注冊(cè)的 specific handler，第二種是有 handler，但是 handler 否認(rèn)是自己對(duì)應(yīng)的設(shè)備觸發(fā)的中斷)，怎么辦?毫無(wú)疑問(wèn)這是一個(gè)異常狀況，那么 kernel 是否要立刻采取措施將該 IRQ disable 呢?也不太合適，畢竟 interrupt request 信號(hào)線是允許共享的，直接 disable 該 IRQ 有可能會(huì)下手太狠，kernel 采取了這樣的策略：如果該 IRQ 觸發(fā)了 100,000 次，但是 99,900 次沒(méi)有處理，在這種條件下，我們就是 disable 這個(gè) interrupt request line。

中斷線和中斷號(hào)是一個(gè)意思。

相關(guān)的控制數(shù)據(jù)在中斷描述符中，如下：

struct irq_desc { 
…… 
    unsigned int        irq_count;－－－－－－－－記錄發(fā)生的中斷的次數(shù)，每100,000則回滾 
    unsigned long        last_unhandled;－－－－－上一次沒(méi)有處理的IRQ的時(shí)間點(diǎn) 
    unsigned int        irqs_unhandled;－－－－－－沒(méi)有處理的次數(shù) 
…… 
} 

中斷的生命周期