Linux Interrupts and Exceptions - 3

I/O Interrupt (硬體裝置的中斷) 處理函式是以 request_irq() 來向核心註冊的，並且以 free_irq() 來清除

定義於 include/linux/interrupt.h

int request_irq(
　　　　unsigned int　　irq,
　　　　irqreturn_t 　　(*handler)(int, void *, struct pt_regs *),
　　　　unsigned long 　irqflags,
　　　　const char 　　*devname,
　　　　void　　　　　 *dev_id
　　);

void free_irq(
　　　　unsigned int　irq,
　　　　void 　　　　*dev_id
　　);

struct irqaction {
　　irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *);
　　unsigned long flags;
　　cpumask_t mask;
　　const char *name;
　　void *dev_id;
　　struct irqaction *next;
　　int irq;
　　struct proc_dir_entry *dir;
};

request_irq() 函式內部則是呼叫 setup_irq() 來進行 IRQ Line 的註冊
其動作是將要求中斷處理的資訊包裝成 struct irqaction 的結構，然後記錄於 irq_desc 陣列中的 IRQ Line 的位置
若有共用 IRQ Line 的中斷，則會以鏈結串列的方式掛在同一個陣列的位置上，如下圖所示

圖中的 hw_interrupt_type 是一個描述中斷控制器的資料結構，用來抽象化不同的中斷控制硬體
例如：舊式的 8259A，或新式的 APIC，也可能是無任何中斷控制器

定義於 include/linux/irq.h

/*
* Interrupt controller descriptor. This is all we need
* to describe about the low-level hardware.
*/
struct hw_interrupt_type {
　　const char * typename;
　　unsigned int (*startup)(unsigned int irq);
　　void (*shutdown)(unsigned int irq);
　　void (*enable)(unsigned int irq);
　　void (*disable)(unsigned int irq);
　　void (*ack)(unsigned int irq);
　　void (*end)(unsigned int irq);
　　void (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest);
};

typedef struct hw_interrupt_type　hw_irq_controller;

定義於 arch/i386/kernel/i8259.c

static struct hw_interrupt_type i8259A_irq_type = {
　　"XT-PIC",
　　startup_8259A_irq,
　　shutdown_8259A_irq,
　　enable_8259A_irq,
　　disable_8259A_irq,
　　mask_and_ack_8259A,
　　end_8259A_irq,
　　NULL
};

定義於 arch/i386/kernel/io_apic.c

/*
* Level and edge triggered IO-APIC interrupts need different handling,
* so we use two separate IRQ descriptors. Edge triggered IRQs can be
* handled with the level-triggered descriptor, but that one has slightly
* more overhead. Level-triggered interrupts cannot be handled with the
* edge-triggered handler, without risking IRQ storms and other ugly
* races.
*/
static struct hw_interrupt_type ioapic_edge_type = {
　　.typename　　= "IO-APIC-edge",
　　.startup　　　= startup_edge_ioapic,
　　.shutdown　　= shutdown_edge_ioapic,
　　.enable　　　 = enable_edge_ioapic,
　　.disable　　　= disable_edge_ioapic,
　　.ack　　　　 = ack_edge_ioapic,
　　.end　　　　= end_edge_ioapic,
　　.set_affinity = set_ioapic_affinity,
};

static struct hw_interrupt_type ioapic_level_type = {
　　.typename　　 = "IO-APIC-level",
　　.startup　　　= startup_level_ioapic,
　　.shutdown　　 = shutdown_level_ioapic,
　　.enable　　　 = enable_level_ioapic,
　　.disable　　　= disable_level_ioapic,
　　.ack　　　　　= mask_and_ack_level_ioapic,
　　.end　　　　　= end_level_ioapic,
　　.set_affinity = set_ioapic_affinity,
};

定義於 kernel/irq/handle.c

struct hw_interrupt_type no_irq_type = {
　　.typename = "none",
　　.startup = startup_none,
　　.shutdown = shutdown_none,
　　.enable = enable_none,
　　.disable = disable_none,
　　.ack = ack_none,
　　.end = end_none,
　　.set_affinity = NULL
};

Linux Interrupts and Exceptions - 2

下圖為 x86 處理器的 256 個中斷配置，其中 vector 編號 0-19 是前面提過的 Exception
編號 32-127 是硬體裝置的 I/O Interrupt，而編號 128 則是由 Linux 核心作為 System Call 之用

在 PC 架構中，有幾個裝置的中斷訊號必須分配到中斷控制器的固定 IRQ Line
如下圖的 IRQ 0、2 及 13
IRQ 欄位表示硬體的 IRQ Line，INT 欄位表示 Linux 核心使用的 IRQ Number

上述的 I/O Interrupt 及其處理函式被儲存於 Linux 核心的 irq_desc 陣列中
變數型態為 struct irq_desc (或 irq_desc_t)，陣列大小為 NR_IRQS

定義於 kernel/irq/handle.c

irq_desc_t irq_desc[NR_IRQS] __cacheline_aligned = {
　　[0 ... NR_IRQS-1] = {
　　　　.handler = &no_irq_type,
　　　　.lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED
　　}
};

定義於 include/linux/irq.h

typedef struct irq_desc {
　　hw_irq_controller *handler;
　　void *handler_data;
　　struct irqaction *action;　　/* IRQ action list */
　　unsigned int status;　　　　/* IRQ status */
　　unsigned int depth;　　　　/* nested irq disables */
　　unsigned int irq_count;　　/* For detecting broken interrupts */
　　unsigned int irqs_unhandled;
　　spinlock_t lock;
} ____cacheline_aligned irq_desc_t;

定義於 include/asm-i386/mach-default/irq_vectors_limits.h

#ifdef CONFIG_X86_IO_APIC
#define NR_IRQS 224
# if (224 >= 32 * NR_CPUS)
# define NR_IRQ_VECTORS NR_IRQS
# else
# define NR_IRQ_VECTORS (32 * NR_CPUS)
# endif
#else
#define NR_IRQS 16
#define NR_IRQ_VECTORS NR_IRQS
#endif

以上可看出，若系統使用 APIC 來管理裝置中斷時，IRQ 的個數為 224 個，否則為 16 個
當系統初始化時，核心呼叫 init_IRQ() 函式將 irq_desc 陣列中的 status 欄位設定為 IRQ_DISABLED
並且呼叫 set_intr_gate() 函式設定 CPU 的 Interrupt Gate，這個動作就是設定中斷發生時的處理函式

定義於 arch/i386/kernel/i8259.c

void __init init_IRQ(void)
{
　　int i;

　　/* all the set up before the call gates are initialised */
　　pre_intr_init_hook();

　　/*
　　 * Cover the whole vector space, no vector can escape
　　 * us. (some of these will be overridden and become
　　 * 'special' SMP interrupts)
　　 */
　　for (i = 0; i < (NR_VECTORS - FIRST_EXTERNAL_VECTOR); i++) {
　　　　int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
　　　　if (i >= NR_IRQS)
　　　　　　break;
　　　　if (vector != SYSCALL_VECTOR)
　　　　　　set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
　　}

　　/* setup after call gates are initialised (usually add in
　　 * the architecture specific gates)
　　 */
　　intr_init_hook();

　　/*
　　 * Set the clock to HZ Hz, we already have a valid
　　 * vector now:
　　 */
　　setup_pit_timer();

　　/*
　　 * External FPU? Set up irq13 if so, for
　　 * original braindamaged IBM FERR coupling.
　　 */
　　if (boot_cpu_data.hard_math && !cpu_has_fpu)
　　　　setup_irq(FPU_IRQ, &fpu_irq);

　　irq_ctx_init(smp_processor_id());
}

void __init init_ISA_irqs (void)
{
　　int i;

#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
　　init_bsp_APIC();
#endif
　　init_8259A(0);

　　for (i = 0; i < NR_IRQS; i++) {
　　　　irq_desc[i].status = IRQ_DISABLED;
　　　　irq_desc[i].action = NULL;
　　　　irq_desc[i].depth = 1;

　　　　if (i < 16) {
　　　　　　/*
　　　　　　 * 16 old-style INTA-cycle interrupts:
　　　　　　 */
　　　　　　irq_desc[i].handler = &i8259A_irq_type;
　　　　} else {
　　　　　　/*
　　　　　　 * 'high' PCI IRQs filled in on demand
　　　　　　 */
　　　　　　irq_desc[i].handler = &no_irq_type;
　　　　}
　　}
}