Linux中的中斷處理分析

 前兩天一直在思考一個(gè)問(wèn)題，在PCI-Express總線引入Linux之后，Linux的中斷處理部分會(huì)有什么變化呢?要回答這個(gè)問(wèn)題首先需要分析一下Linux系統(tǒng)是如何調(diào)用中斷服務(wù)程序的。其實(shí)，正因?yàn)長(zhǎng)inux對(duì)中斷處理部分良好的封裝性，使得PCI總線向PCI-Express過(guò)渡時(shí)沒(méi)有觸及到框架性的變化。

其實(shí), 幾年前第一次分析Linux中斷處理函數(shù)的時(shí)候就覺(jué)得非常奇怪，Linux將所有的中斷處理都需要通過(guò)一個(gè)do_IRQ的函數(shù)完成。也就是說(shuō)，Linux沒(méi)有充分利用不同處理器體系架構(gòu)在中斷處理方面的不同，沒(méi)有充分利用中斷向量表的作用。在X86處理器上，我們都知道不同的中斷號(hào)對(duì)應(yīng)不同的中斷向量，當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生的時(shí)候，處理器會(huì)直接跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)中斷向量表的位置，然后執(zhí)行中斷向量表處的對(duì)應(yīng)函數(shù)。顯然Linux沒(méi)有充分利用中斷向量表，一旦進(jìn)入中斷之后，不管是什么中斷，Linux會(huì)通過(guò)中斷向量表執(zhí)行do_IRQ這樣一個(gè)公共函數(shù)。然后在這個(gè)公共函數(shù)中再通過(guò)中斷號(hào)查找對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。這樣的處理顯然增加了中斷服務(wù)程序的調(diào)用延遲。Linux的中斷處理函數(shù)do_IRQ調(diào)用過(guò)程示例代碼如下所示：

IRQn_interrupt: pushl $n-256 jmp common_interrupt common_interrupt: SAVE_ALL call do_IRQ jmp ret_from_intr

在do_IRQ函數(shù)中，Linux會(huì)通過(guò)事先存儲(chǔ)的中斷號(hào)(push $n-256)在irq_desc[]數(shù)組中找到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序集。由于很多外部設(shè)備都是共享中斷的，特別是傳統(tǒng)的PCI設(shè)備是共享中斷號(hào)的，因此，Linux會(huì)依次執(zhí)行這些中斷服務(wù)程序集。在中斷服務(wù)程序中，首先需要讀取對(duì)應(yīng)設(shè)備的中斷狀態(tài)寄存器，來(lái)判斷這個(gè)中斷是否是自己的，如果是自己的，那么認(rèn)領(lǐng)這個(gè)中斷，執(zhí)行中斷上半部的操作，否則，將這個(gè)中斷執(zhí)行的機(jī)會(huì)讓給其他的服務(wù)程序。Linux中的irq_desc[]和irq_action是中斷處理過(guò)程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序這冊(cè)中斷操作也就是將中斷服務(wù)程序注冊(cè)到這些結(jié)構(gòu)中，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)系我們可以表示如下：

通過(guò)上述分析，我覺(jué)得Linux的這種處理不是最佳處理的，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于不同體系結(jié)構(gòu)的處理器具有普適性。通過(guò)do_IRQ函數(shù)可以將所有處理器在中斷處理機(jī)制方面的差異給屏蔽掉，但是，的確損失了中斷處理的實(shí)時(shí)性。在ARM處理器中，為了提高中斷處理實(shí)時(shí)性，將中斷處理分為向量中斷(vector interrupt)和快速中斷(fast interrupt)兩類。在通常的ARM編程中，我們會(huì)對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序注冊(cè)到一個(gè)中斷向量上，當(dāng)這個(gè)中斷被觸發(fā)的時(shí)候，ARM處理器會(huì)自動(dòng)加載中斷服務(wù)程序地址到一個(gè)寄存器中，該寄存器的地址會(huì)被填寫到中向量表中，因此，ARM會(huì)直接調(diào)用執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序只需保存寄存器現(xiàn)場(chǎng)即可。對(duì)于快速中斷，ARM的處理更加直接直接，并且硬件會(huì)自動(dòng)保存寄存器現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)省了中斷服務(wù)程序調(diào)用時(shí)鐘周期，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。如果采用Linux的機(jī)制，那么硬件提供的一些優(yōu)勢(shì)全部付之一炬，但是換回的是可移植性。對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，這個(gè)地方是需要修改的。

傳統(tǒng)的PCI總線采用的是共享中斷的方式，帶來(lái)的問(wèn)題就是中斷處理實(shí)時(shí)性不夠，每次發(fā)生PCI中斷的時(shí)候，注冊(cè)在相同中斷向量上的服務(wù)程序都需要查詢自己的中斷狀態(tài)寄存器，以此來(lái)判斷該中斷是否屬于自己。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PCI在演進(jìn)過(guò)程中提出了SMI中斷的內(nèi)容，PCI設(shè)備向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，直接向總線發(fā)送SMI消息，Root Complex中的APIC在接收到這個(gè)消息之后，有兩種方式將這個(gè)中斷事務(wù)上報(bào)給處理器：第一種方式是在Root Complex中的APIC上定義一個(gè)寄存器，在這個(gè)寄存器中可以存儲(chǔ)PCI設(shè)備提交的中斷向量號(hào)，當(dāng)APIC接收到中斷事務(wù)之后，會(huì)向處理器提交中斷請(qǐng)求(INTX)，CPU進(jìn)入中斷服務(wù)程序之后，會(huì)查詢APIC中的寄存器得到中斷向量，然后調(diào)用該中斷向量對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序;第二種方式是APIC在接收到中斷事務(wù)之后，向處理器發(fā)送一個(gè)FSB中斷事務(wù)，CPU接收到這個(gè)FSB的中斷事務(wù)后，會(huì)進(jìn)入中斷狀態(tài)，并且從該事務(wù)中獲得中斷向量號(hào)，然后直接調(diào)用對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。顯然，第一種方式需要額外的寄存器訪問(wèn)延遲，而第二種方式采用FSB的中斷事務(wù)直接將中斷向量號(hào)告訴處理器，這種方式的效率會(huì)更高。

對(duì)于PCI設(shè)備端，需要實(shí)現(xiàn)SMI中斷機(jī)制，需要利用額外的中斷配置空間。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載的時(shí)候，會(huì)給每個(gè)PCI設(shè)備分配SMI消息發(fā)送給地址，以及對(duì)應(yīng)的中斷向量號(hào)，驅(qū)動(dòng)程序 會(huì)將這些信息寫入PCI設(shè)備配置空間。在PCI設(shè)備發(fā)送中斷請(qǐng)求的時(shí)候，直接將分配的中斷向量號(hào)通過(guò)PCI寫事務(wù)寫入分配的地址即可。

通過(guò)上述分析，PCI-Express的SMI中斷會(huì)將中斷向量號(hào)提交給CPU，不管是處理器查詢APIC寄存器還是通過(guò)FSB中斷事務(wù)告訴給處理器，最終，在處理器進(jìn)入中斷之后可以得到對(duì)應(yīng)設(shè)備的中斷向量號(hào)，因此，可以直接調(diào)用現(xiàn)有的do_IRQ來(lái)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。而且，PCI-Express設(shè)備沒(méi)有必要共享中斷向量號(hào)，因此，中斷服務(wù)程序處理的效率的確高了不少。