linux內(nèi)核解析--中斷及異常處理

Linux是一種開源電腦操作系統(tǒng)內(nèi)核。它是一個用C語言寫成，符合POSIX標準的類Unix操作系統(tǒng)。本文小編帶你了解一下linux內(nèi)核的中斷及異常處理的基本內(nèi)容。

一、系統(tǒng)調(diào)用 

Linux的每個系統(tǒng)調(diào)用都是通過一些宏、一張系統(tǒng)調(diào)用表、一個系統(tǒng)調(diào)用入口來完成。 

(1)宏 

Linux為每個系統(tǒng)調(diào)用定義了一個唯一的編號，成為系統(tǒng)調(diào)用號。通過宏定義方式定義，例如#define  __NR_setup 0。 

Linux中系統(tǒng)調(diào)用號一旦分配就不可以再進行更改，否則已經(jīng)編譯好的木塊將不能正常使用。即使刪除的系統(tǒng)調(diào)用，也不可以把之前已經(jīng)分配的系統(tǒng)調(diào)用號重新分配，刪除的系統(tǒng)調(diào)用有相應(yīng)的空處理。 

(2)系統(tǒng)調(diào)用表 

系統(tǒng)調(diào)用表是一個函數(shù)指針數(shù)組，跳轉(zhuǎn)時以系統(tǒng)調(diào)用號作為數(shù)組下表，找到相應(yīng)的函數(shù)指針。 

(3)系統(tǒng)調(diào)用入口 

系統(tǒng)調(diào)用入口其實是由系統(tǒng)調(diào)用入口函數(shù)實現(xiàn)。功能是將系統(tǒng)調(diào)用號放入eax寄存器后移用int $0x80使處理器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)用入口，查找系統(tǒng)調(diào)用表，進而執(zhí)行內(nèi)核調(diào)用真正的函數(shù)。 

Linux系統(tǒng)調(diào)用實際是軟中斷。系統(tǒng)調(diào)用過程中，Linux首先通過執(zhí)行相應(yīng)的機器代碼指令int $0x80產(chǎn)生一個軟中斷的異常處理信號，使系統(tǒng)自動從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。 

二、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。 

3、下半部機制 

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。 

(2)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。 

(3)工作隊列(work 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)默認提供了一種命名為enents一類工作者線程來實現(xiàn)工作隊列。 

4、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。 

(1)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。 

(2)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。

5、中斷上下文 

當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，當前運行隊列都dequeue時則運行idle進程)。