為什么需要中斷？

　　如果讓內(nèi)核定期對設(shè)備進行輪詢，以便處理設(shè)備，那會做很多無用功，因為外設(shè)的處理速度一般慢于CPU，而CPU不能一直等待外部事件。所以能讓設(shè)備在需要內(nèi)核時主動通知內(nèi)核，會是一個聰明的方式，這便是中斷。

　　中斷處理程序

　　在響應(yīng)一個特定中斷時，內(nèi)核會執(zhí)行一個函數(shù)——中斷處理程序。中斷處理程序與其他內(nèi)核函數(shù)的區(qū)別在于，中斷處理程序是被內(nèi)核調(diào)用來響應(yīng)中斷的，而它們運行于我們稱之為中斷上下文的特殊上下文中。

　　中斷處理程序就是普通的C代碼。特別之處在于中斷處理程序是在中斷上下文中運行的，它的行為受到某些限制：

　　1）不能向用戶空間發(fā)送或接受數(shù)據(jù)

　　2）不能使用可能引起阻塞的函數(shù)

　　3）不能使用可能引起調(diào)度的函數(shù)

　　中斷機制

　　Linux中斷主要分為硬中斷（IRQ）和軟中斷兩類。

　　IRQ主要分為：短類型IRQ和長類型IRQ。短類型IRQ需要很短的時間，在此期間機器的其他部分被鎖定，而且不能發(fā)生其他中斷被處理。長類型IRQ需要較長的時間，期間可能發(fā)生其他中斷。

　　當(dāng)用戶程序被來自外部信號中斷后，立即保存現(xiàn)場工作，包括保存返回地址和用戶寄存器等數(shù)據(jù)，然后查找中斷向量表，找出相應(yīng)的中斷處理程序。系統(tǒng)將中斷分為三種：捕俘、系統(tǒng)調(diào)用和外中斷。捕俘：通過捕俘處理程序入口表查找到用戶編寫的處理程序執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用：軟中斷，通過系統(tǒng)調(diào)用表找到操作系統(tǒng)核心提供的服務(wù)例程。外中斷：直接調(diào)用核心提供的外中斷處理程序運行。

　　1、硬中斷過程

　　Linux中，若一個硬件想向CPU發(fā)送中斷信號，必須首先獲得一個可用的“中斷請求線”（即中斷前必須獲得一個可用的IRQ號），產(chǎn)生一個中斷信號后以電信號發(fā)送給中斷控制器（硬件芯片），接著CPU根據(jù)中斷控制器的狀態(tài)位判定中斷的來源，獲得中斷號，根據(jù)中斷號查找中斷向量表，從表中獲得中斷處理函數(shù)的地址，然后跳轉(zhuǎn)到中斷函數(shù)入口地址處，執(zhí)行這個函數(shù)。

　　2、中斷處理程序—硬中斷

　　中斷處理程序主要做的工作：

　　a.保護未被硬件保護的一些必須的寄存器

　　b.識別各個中斷源，分析產(chǎn)生中斷的原因

　　c.處理發(fā)生的中斷事件

　　d.恢復(fù)正常的工作

　　Linux規(guī)定中斷處理程序是不可重入的，指的是同一中斷線上不可以再發(fā)生新的中斷，因為所有的處理器都將原中斷所在的中斷線已經(jīng)屏蔽。

　　Linux中同樣規(guī)定了同一中斷程序不能夠并行，這樣同一個中斷處理程序不可以被同時調(diào)用來處理嵌套的中斷。

　　Linux中將中斷處理程序分為兩部分：上半部和下半部。

　　上半部主要用來處理那些具有嚴(yán)格時限要求的任務(wù)。上半部可以看做是一個用來“登記 中斷”功能的函數(shù)，將中斷例程的下半部掛到下半部執(zhí)行隊列中。上半部要求執(zhí)行很快，主要是因為上半部完全屏蔽中斷下執(zhí)行，即不可中斷。

　　下半部主要用于處理那些可以稍后執(zhí)行的任務(wù)。下半部是可中斷的，當(dāng)發(fā)生其他中斷時，下半部可中斷等待另外一個中斷的上半部執(zhí)行完畢后再繼續(xù)執(zhí)行。

　　上下半部機制

　　我們期望讓中斷處理程序運行得快，并想讓它完成的工作量多，這兩個目標(biāo)相互制約，如何解決——上下半部機制。

　　我們把中斷處理切為兩半。中斷處理程序是上半部——接受中斷，他就立即開始執(zhí)行，但只有做嚴(yán)格時限的工作。能夠被允許稍后完成的工作會推遲到下半部去，此后，在合適的時機，下半部會被開終端執(zhí)行。上半部簡單快速，執(zhí)行時禁止一些或者全部中斷。下半部稍后執(zhí)行，而且執(zhí)行期間可以響應(yīng)所有的中斷。這種設(shè)計可以使系統(tǒng)處于中斷屏蔽狀態(tài)的時間盡可能的短，以此來提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。上半部只有中斷處理程序機制，而下半部的實現(xiàn)有軟中斷實現(xiàn)，tasklet實現(xiàn)和工作隊列實現(xiàn)。

　　我們用網(wǎng)卡來解釋一下這兩半。當(dāng)網(wǎng)卡接受到數(shù)據(jù)包時，通知內(nèi)核，觸發(fā)中斷，所謂的上半部就是，及時讀取數(shù)據(jù)包到內(nèi)存，防止因為延遲導(dǎo)致丟失，這是很急迫的工作。讀到內(nèi)存后，對這些數(shù)據(jù)的處理不再緊迫，此時內(nèi)核可以去執(zhí)行中斷前運行的程序，而對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理則交給下半部處理。

　　上下半部劃分原則

　　1） 如果一個任務(wù)對時間非常敏感，將其放在中斷處理程序中執(zhí)行；

　　2） 如果一個任務(wù)和硬件有關(guān)，將其放在中斷處理程序中執(zhí)行；

　　3） 如果一個任務(wù)要保證不被其他中斷打斷，將其放在中斷處理程序中執(zhí)行；

　　4） 其他所有任務(wù)，考慮放置在下半部執(zhí)行。

　　Linux中提供了三種機制來實現(xiàn)下半部機制。

　　（1）軟中斷

　　軟中斷是一組靜態(tài)定義的下半部結(jié)構(gòu)，使用數(shù)組來組織軟中斷結(jié)構(gòu)體，共有32個。兩個相同的軟中斷可以同時執(zhí)行，必須在編譯期間進行靜態(tài)注冊。

　　軟中斷機制一般都保留給系統(tǒng)中對時間要求最嚴(yán)格以及重要的下半部來使用。Linux2.6中只有兩個子系統(tǒng)是通過軟中斷來實現(xiàn)的：網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和SCSI。

　?。?）tasklet

　　tasklet要比軟中斷機制方便且簡單，而且它本身也是基于軟中斷實現(xiàn)，屬于軟中斷，既可以靜態(tài)的創(chuàng)建tasklet，也可以動態(tài)的創(chuàng)建tasklet。

　　Linux中tasklet分為兩類：HI_SOFTIRQ和TASKLET_IRQ，前者比后者的優(yōu)先級要高，優(yōu)先調(diào)用前者。在中斷數(shù)組irq_desc［］中會分配兩項給tasklet，即兩種類型各占數(shù)組中一項。兩者分別以一個鏈表來組織。

　?。?）工作隊列

　?。╳ork queue）工作隊列與前兩者最大的不同之處是它是唯一一個能在進程上下文中運行的下半部機制，意味著它能允許睡眠。

　　工作隊列的實質(zhì)是將推后的工作交給一個內(nèi)核線程來完成，核心思想即時創(chuàng)建一個內(nèi)核線程，Linux中已經(jīng)默認(rèn)提供了一種命名為enents一類工作者線程來實現(xiàn)工作隊列。

　　Linux軟中斷和工作隊列的作用是什么

　　Linux中的軟中斷和工作隊列是中斷上下部機制中的下半部實現(xiàn)機制。

　　1.軟中斷一般是“可延遲函數(shù)”的總稱，它不能睡眠，不能阻塞，它處于中斷上下文，不能進城切換，軟中斷不能被自己打斷，只能被硬件中斷打斷（上半部），可以并發(fā)的運行在多個CPU上。所以軟中斷必須設(shè)計成可重入的函數(shù)，因此也需要自旋鎖來保護其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　2.工作隊列中的函數(shù)處在進程上下文中，它可以睡眠，也能被阻塞，能夠在不同的進程間切換，以完成不同的工作。

　　可延遲函數(shù)和工作隊列都不能訪問用戶的進程空間，可延時函數(shù)在執(zhí)行時不可能有任何正在運行的進程，工作隊列的函數(shù)有內(nèi)核進程執(zhí)行，他不能訪問用戶空間地址。中斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　Linux內(nèi)核中定義了一個數(shù)組irq_desc［］數(shù)組來管理中斷。數(shù)組中的每一項對應(yīng)一個中斷源。數(shù)組中的每個成員都為irq_desc_t結(jié)構(gòu)體，即數(shù)組中的每一項對應(yīng)著中斷向量表中的一項。

　　中斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　Linux內(nèi)核中定義了一個數(shù)組irq_desc［］數(shù)組來管理中斷。數(shù)組中的每一項對應(yīng)一個中斷源。數(shù)組中的每個成員都為irq_desc_t結(jié)構(gòu)體，即數(shù)組中的每一項對應(yīng)著中斷向量表中的一項。

　?。?）irq_desc_t結(jié)構(gòu)體

　　irq_desc_t結(jié)構(gòu)體用來描述中斷源。其中結(jié)構(gòu)體中的handler指向hw_interrupt_type結(jié)構(gòu)體的指針，action變量指向由irqaction結(jié)構(gòu)體組成的單向鏈表的頭的指針。

　?。?）irqaction結(jié)構(gòu)體

　　該結(jié)構(gòu)體中指明內(nèi)核接收到特定IRQ后該才去的動作。結(jié)構(gòu)體中變量handler指向中斷處理程序。

　　（3）hw_interrupt_type結(jié)構(gòu)體

　　用來描述中斷控制器，是一個抽象的中斷控制器。

　　中斷上下文

　　當(dāng)一個中斷處理程序正在執(zhí)行時，內(nèi)核處于中斷上下文中。中斷上下文是不可以睡眠的。與進程上下文是不同的，進程上下文即使睡眠了也可以重新調(diào)度將其喚醒，中斷上下文不可以被重新調(diào)度。 中斷處理程序沒有自己的堆棧，它會共享被它中斷的那個進程的堆棧，如果沒有進程正在執(zhí)行，則占用idle進程的堆棧（每個處理器都有自己的運行隊列，隊列中都有idle進程，當(dāng)前運行隊列都dequeue時則運行idle進程）

　　Linux中斷編程

　　中斷申請（申請IRQ）-----request_irq（）

　　釋放IRQ------free_irq（）

　　使能和屏蔽IRQ

　　disable_irq（） disable_irq_nosync（） enable_irq（）

　　底半部機制：Linux實現(xiàn)底半部機制主要方式有 tasklet 工作隊列 軟中斷