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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(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(hù)未被硬件保護(hù)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。 

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(jìn)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。 

(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(jìn)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。 

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(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(jìn)程上下文是不同的，進(jìn)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(jìn)程的堆棧，如果沒有進(jìn)程正在執(zhí)行，則占用idle進(jìn)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(jìn)程，當(dāng)前運行隊列都dequeue時則運行idle進(jìn)程)。