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1、Linux操作系统分析操作系统分析中国科学技术大学计算机系中国科学技术大学计算机系陈香兰（陈香兰（051287161312）Autumn 2010中断和异常中断和异常为什么会有中断为什么会有中断内核的一个主要功能就是处理硬件外设I/O处理器速度一般比外设快很多内核必须处理其他任务，只有当外设真正完成了准备好了时CPU才转过来处理外设IOIO方式：轮询、中断、DMA等轮询方式效率不高中断机制就是满足上述条件的一种解决办法12/22/20223Linux OS Analysis主要内容主要内容中断信号的作用和中断信号处理的一般原则I/O设备如何引起CPU中断x86 CPU如何在硬件级处理中断信号L
2、inux内核中软件级中断处理及其数据结构Linux的软中断、tasklet以及下半部分12/22/20224Linux OS Analysis主要内容主要内容中断信号的作用和中断信号处理的一般原则中断信号的作用和中断信号处理的一般原则I/O设备如何引起CPU中断x86 CPU如何在硬件级处理中断信号Linux内核中软件级中断处理及其数据结构Linux的软中断、tasklet以及下半部分12/22/20225Linux OS Analysis中断和异常中断和异常中断（广义）中断（广义）会改变处理器执行指令的顺序，通常与CPU芯片内部或外部硬件电路产生的电信号相对应中断异步的：由硬件随机产生，在程
3、序执行的任何时候可能出现异常同步的：在（特殊的或出错的）指令执行时由CPU控制单元产生我们用“中断信号”来通称这两种类型的中断12/22/20226Linux OS Analysis中断信号的作用中断信号的作用中断信号提供了一种特殊的方式，使得CPU转去运行正常程序之外的代码比如一个外设采集到一些数据，发出一个中断信号，CPU必须立刻响应这个信号，否则数据可能丢失当一个中断信号到达时，CPU必须停止它当前正在做的事，并且切换到一个新的活动为了做到这这一点，在进程的内核态堆栈保存程序计数器的当前值(即eip和cs寄存器)以便处理完中断的时候能正确返回到中断点，并把与中断信号相关的一个地址放入进程
4、序计数器，从而进入中断的处理12/22/20227Linux OS Analysis中断信号的处理原则中断信号的处理原则快！当内核正在做一些别的事情的时候，中断会随时到来。无辜的正在运行的代码被打断中断处理程序在run的时候可能禁止了同级中断中断处理程序对硬件操作，一般硬件对时间也是非常敏感的内核的目标就是让中断尽可能快的处理完，尽其所能把更多的处理向后推迟上半部分(top half)和下半部分(bottom half)12/22/20228Linux OS Analysis允许不同类型中断的嵌套发生，这样能使更多的I/O设备处于忙状态尽管内核在处理一个中断时可以接受一个新的中断，但在内核代码
5、中还在存在一些临界区，在临界区中，中断必须被禁止12/22/20229Linux OS Analysis中断上下文中断上下文中断上下文不同于进程上下文中断或异常处理程序执行的代码不是一个进程它是一个内核控制路径内核控制路径，代表了中断发生时正在运行的进程执行作为一个进程的内核控制路径，中断处理程序比一个进程要“轻”(中断上下文只包含了很有限的几个寄存器，建立和终止这个上下文所需要的时间很少)12/22/202210Linux OS Analysis中断上下文举例中断上下文举例分析A,B,C,D在互相抢占上的关系 假设:2个interrupt context，记为A和B 2个process，记为
6、C和D 1，假设某个时刻C占用CPU运行，此时A中断发生，C被A抢占，A得以在CPU上执行。由于Linux不为中断处理程序设置process context，A只能使用 C的kernel stack作为自己的运行栈C进程进程D进程进程A中断中断B中断中断A中断发生中断发生current12/22/202211Linux OS Analysis2，无论如何，Linux的interrupt context A绝对不会被某个进程C或者D抢占！这是由于所有已经启动的interrupt contexts，不管是interrupt contexts之间切换，还是在某个interrupt context中执
7、行代码的过程，决不可能插入scheduler调度例程的调用。除非interrupt context主动或者被动阻塞进入睡眠，唤起scheduler，但这是必须避免的，危险性见第3点说明。C进程进程D进程进程A中断中断B中断中断A中断发生中断发生current12/22/202212Linux OS Analysis3，关于第2点的解释：首先，interrupt context没有process context，A中断是“借”了C的进程上下文运行的，若允许A“阻塞”或“睡眠”，则C将被迫阻塞或睡眠，仅当A被“唤醒”C才被唤醒；而“唤醒”后，A将按照C在就绪队列中的顺序被调度。这既损害了A的利益也
8、污染了C的kernel stack。其次，如果interrupt context A由于阻塞或是其他原因睡眠，外界对系统的响应能力将变得不可忍受12/22/202213Linux OS Analysis4，那么interrupt context A和B的关系又如何呢？由于可能在interrupt context的某个步骤打开了CPU的IF flag标志，这使得在A过程中，B的irq line已经触发了PIC，进而触发了CPU IRQ pin，使得CPU执行中断B的interrupt context，这是中断上下文的嵌套过程。5，通常Linux不对不同的interrupt contexts设置优
9、先级，这种任意的嵌套是允许的当然可能某个实时Linux的patch会不允许低优先级的interrupt context抢占高优先级的interrupt context C进程进程D进程进程A中断中断B中断中断A中断发生中断发生currentB中断发生中断发生开中断开中断12/22/202214Linux OS Analysis主要内容主要内容中断信号的作用和中断信号处理的一般原则I/O设备如何引起设备如何引起CPU中断中断x86 CPU如何在硬件级处理中断信号Linux内核中软件级中断处理及其数据结构Linux的软中断、tasklet以及下半部分12/22/202215Linux OS Ana
10、lysis中断和异常的分类（中断和异常的分类（Intel文档）文档）中断分为：可屏蔽中断（Maskable interrupt）I/O设备发出的所有中断请求(IRQ)都可以产生可屏蔽中断。可屏蔽中断可以处于两种状态:屏蔽的(masked)和非屏蔽的(unmasked)非屏蔽中断（Nonmaskable interrupt）只有几个特定的危急事件才引起非屏蔽中断。如硬件故障或是掉电12/22/202216Linux OS Analysis异常分为：处理器探测异常由CPU执行指令时探测到一个反常条件时产生，如溢出、除0错等编程异常由编程者发出的特定请求产生，通常由int类指令触发通常叫做“软中断”
11、例如系统调用12/22/202217Linux OS Analysis对于处理器探测异常，根据异常时保存在内核堆栈中的eip的值可以进一步分为：故障(fault)：eip=引起故障的指令的地址通常可以纠正，处理完异常时，该指令被重新执行例如缺页异常陷阱(trap)：eip=随后要执行的指令的地址。异常中止(abort)：eip=？发生严重的错误。eip值无效，只有强制终止受影响的进程12/22/202218Linux OS Analysis中断向量中断向量每个中断和异常由0255之间的一个数（8位）来标识，Intel称其为中断向量。非屏蔽中断的向量和异常的向量是固定的可屏蔽中断的向量可以通过对
12、中断控制器的编程来改变12/22/202219Linux OS Analysis中断的产生中断的产生每个能够发出中断请求的硬件设备控制器都有一条称为IRQ(Interrupt ReQuest)的输出线。所有的IRQ线都与一个中断控制器的输入引脚相连中断控制器与CPU的INTR引脚相连设备设备控制器中断控制器IRQCPUINTR12/22/202220Linux OS Analysis中断控制器中断控制器执行下列动作：执行下列动作：1，监视IRQ线，对引发信号检查2，如果一个引发信号出现在IRQ线上a，把此信号转换成对应的中断向量b，把这个向量存放在中断控制器的一个I/O端口，从而允许CPU通过
13、数据总线读这个向量c，把引发信号发送到处理器的INTR引脚，即产生一个中断d，等待，直到CPU应答这个信号；收到应答后，清INTR引脚3，返回到第一步12/22/202221Linux OS AnalysisIRQ号和中断向量号号和中断向量号中断控制器对输入的IRQ线从0开始顺序编号IRQ0，IRQ1，Intel给中断控制器分配的中断向量号从32开始，上述IRQ线对应的中断向量依次是32+0、32+1、可以对中断控制器编程：修改起始中断向量的值，或有选择的屏蔽/激活每条IRQ线屏蔽丢失12/22/202222Linux OS Analysis屏蔽的中断不会丢失一旦被激活，中断控制器又会将它们发
14、送到CPU有选择的屏蔽/激活IRQ线全局屏蔽/激活前者通过对中断控制器编程实现后者通过特定的指令操作CPU中的状态字12/22/202223Linux OS AnalysisI386：开中断和关中断开中断和关中断CPU可以将屏蔽所有的可屏蔽终端Eflags中的IF标志：0=关中断；1=开中断。关中断时，CPU不响应中断控制器发布的任何中断请求内核中使用cli和sti指令分别清除和设置该标志12/22/202224Linux OS Analysis传统的中断控制器：传统的中断控制器：8259A传统的中断控制器使用两片8259A以“级联”的方式连接在一起每个芯片可以处理最多8个不同的IRQ线主从两
15、片8259A的连接：从主的IRQ2引脚因此，一共可以处理最多15个不同的IRQ线12/22/202225Linux OS Analysis8259A：设置起始中断向量号：设置起始中断向量号参见init_8259A12/22/202226Linux OS Analysis8259A：禁止：禁止/激活某个激活某个IRQ线线取变量的第x个字节12/22/202227Linux OS Analysis异常异常X86处理器发布了大约20种不同的异常。某些异常通过硬件出错码说明跟异常相关的信息内核为每个异常提供了一个专门的异常处理程序12/22/202228Linux OS Analysis故障非屏蔽中断
16、陷阱，断点调试陷阱故障，缺页异常中止异常处理程序异常处理程序发出的信号12/22/202229Linux OS Analysis中断描述符表中断描述符表(Interrupt Descriptor Table，IDT)中断描述符表是一个系统表，它与每一个中断或者异常向量相联系每个向量在表中有相应的中断或者异常处理程序的入口地址。每个描述符8个字节，共256项，占用空间2KB内核在允许中断发生前，必须适当的初始化IDTCPU的idtr寄存器指向IDT表的物理基地址lidt指令12/22/202230Linux OS AnalysisIDT包含3种类型的描述符任务门：Linux没有使用任务门中断门：
17、指定中断处理程序，进入中断门时，系统进入关中断状态陷阱门：与中断门类似，但进入陷阱门时，系统不会进入关中断状态12/22/202231Linux OS Analysis主要内容主要内容中断信号的作用和中断信号处理的一般原则I/O设备如何引起CPU中断x86 CPU如何在硬件级处理中断信号如何在硬件级处理中断信号Linux内核中软件级中断处理及其数据结构Linux的软中断、tasklet以及下半部分12/22/202232Linux OS Analysis中断和异常的硬件处理中断和异常的硬件处理进入中断进入中断/异常异常假定：内核已经初始化，CPU在保护模式下运行CPU的正常运行：当执行了一条指
18、令后，cs和eip这对寄存器包含了下一条将要执行的指令的逻辑地址。在执行这条指令之前，CPU控制单元会检查在运行前一条指令时是否发生了一个中断或者异常。如果发生了一个中断或异常，那么CPU控制单元执行下列操作：12/22/202233Linux OS Analysis1，确定与中断或者异常关联的向量i（0255）2，读idtr寄存器指向的IDT表中的第i项3，从gdtr寄存器获得GDT的基地址，并在GDT中查找，以读取IDT表项中的段选择符所标识的段描述符4，确定中断是由授权的发生源发出的。中断：中断处理程序的特权不能低于引起中断的程序的特权（对应GDT表项中的DPL vs CS寄存器中的CP
19、L）编程异常：还需比较CPL与对应IDT表项中的DPL这个描述符指定中断或异常处理程序所在段的基地址只允许从低特权级“陷入”到高特权级，反之不可以禁止低特权级用户访问特殊的门12/22/202234Linux OS Analysis5，检查是否发生了特权级的变化，一般指是否由用户态陷入了内核态。如果是由用户态陷入了内核态，控制单元必须开始使用与新的特权级相关的堆栈a，读tr寄存器，访问运行进程的tss段b，用与新特权级相关的栈段和栈指针装载ss和esp寄存器。这些值可以在进程的tss段中找到c，在新的栈中保存ss和esp以前的值，这些值指明了与旧特权级相关的栈的逻辑地址12/22/202235
20、Linux OS Analysis6，若发生的是故障，用引起异常的指令地址修改cs和eip寄存器的值，以使得这条指令在异常处理结束后能被再次执行7，在栈中保存eflags、cs和eip的内容8，如果异常产生一个硬件出错码，则将它保存在栈中9，装载cs和eip寄存器，其值分别是IDT表中第i项门描述符的段选择符和偏移量字段。这对寄存器值给出中断或者异常处理程序的第一条指定的逻辑地址12/22/202236Linux OS Analysis此时的进程内核态堆栈(注意此进程可以是任意一个进程，中断处理程序不关心这个)ssespeflagscseip8KB unionesp进程描述符用户态进程上下文和
21、前次中断保存ss，esp，eflags，cs和eipeflagscseip进程描述符esp从内核态进入中断/异常从用户态进入中断/异常Error codeesp12/22/202237Linux OS Analysis从中断从中断/异常返回异常返回中断/异常处理完后，相应的处理程序会执行一条iret汇编指令，这条汇编指令让CPU控制单元做如下事情:1，用保存在栈中的值装载cs、eip和eflags寄存器。如果一个硬件出错码曾被压入栈中，那么弹出这个硬件出错码2，检查处理程序的特权级是否等于cs中最低两位的值(这意味着进程在被中断的时候是运行在内核态还是用户态)。若是，iret终止执行；否则，转
22、入312/22/202238Linux OS Analysis3，从栈中装载ss和esp寄存器。这步意味着返回到与旧特权级相关的栈4，检查ds、es、fs和gs段寄存器的内容，如果其中一个寄存器包含的选择符是一个段描述符，并且特权级比当前特权级高，则清除相应的寄存器。这么做是防止怀有恶意的用户程序利用这些寄存器访问内核空间12/22/202239Linux OS Analysis主要内容主要内容中断信号的作用和中断信号处理的一般原则I/O设备如何引起CPU中断x86 CPU如何在硬件级处理中断信号Linux内核中软件级中断处理及其数据结构内核中软件级中断处理及其数据结构Linux的软中断、ta
23、sklet以及下半部分12/22/202240Linux OS Analysis中断和异常处理程序的嵌套执行中断和异常处理程序的嵌套执行当内核处理一个中断或异常时，就开始了一个新的内核控制路径当CPU正在执行一个与中断相关的内核控制路径时，linux不允许进程切换。不过，一个中断处理程序可以被另外一个中断处理程序中断，这就是中断的嵌套执行12/22/202241Linux OS Analysis抢占原则普通进程可以被中断或异常处理程序打断异常处理程序可以被中断程序打断中断程序只可能被其他的中断程序打断Linux允许中断嵌套的原因提高可编程中断控制器和设备控制器的吞吐量实现了一种没有优先级的中断
24、模型12/22/202242Linux OS Analysis初始化中断描述符表初始化中断描述符表内核启动中断前，必须初始化IDT，然后把IDT的基地址装载到idtr寄存器中int指令允许用户进程发出一个中断信号，其值可以是0255的任意一个向量。所以，为了防止用户用int指令非法模拟中断和异常，IDT的初始化时要很小心的设置特权级然而用户进程有时必须要能发出一个编程异常。为了做到这一点，只要把相应的中断或陷阱门描述符的特权级设置成312/22/202243Linux OS Analysis初始化中断描述符表初始化中断描述符表Linux中的中断门、陷阱门和系统门定义中断门用户态的进程不能访问的
25、一个Intel中断门(特权级为0)，所有的中断都通过中断门激活，并全部在内核态系统门用户态的进程可以访问的一个Intel陷阱门(特权级为3)，通过系统门来激活4个linux异常处理程序，它们的向量是3，4，5和128。因此，在用户态下可以发布int3，into，bound和int$0 x80四条汇编指令陷阱门用户态的进程不能访问的一个Intel陷阱门(特权级为0)，大部分linux异常处理程序通过陷阱门激活12/22/202244Linux OS Analysis初始化中断描述符表初始化中断描述符表下列体系结构相关的函数用来在IDT中设置门不同的是系统门中特权级对应的位DPL被置成3。这几个函
26、数都把相应的门中的段描述符设置成内核代码段的选择符，偏移字段设置成addr。12/22/202245Linux OS Analysis12/22/202246Linux OS Analysis进入保护模式前进入保护模式前IDT表的初始化表的初始化12/22/202247Linux OS AnalysisIDT的初步初始化（的初步初始化（head_32.S）用ignore_int()函数填充256个idt_table表项注意：此后还有关于异常相关入口的调整，使用了宏注意：此后还有关于异常相关入口的调整，使用了宏12/22/202248Linux OS Analysis12/22/202249Li
27、nux OS AnalysisStart_kernel中的中的IDT表初始化表初始化trap_init()init_IRQ()阅读native_init_IRQ12/22/202250Linux OS Analysis异常处理异常处理CPU产生的大部分异常都由linux解释为出错条件。当一个异常发生时，内核就向引起异常的进程发送一个信号通知它发生了一个反常条件异常处理有一个标准的结构，由三部分组成1.在内核态堆栈中保存大多数寄存器的内容2.调用C语言的函数3.通过ret_from_exception()从异常处理程序退出观察entry_32.S，并找到C语言函数的定义之处12/22/20225
28、1Linux OS Analysis12/22/202252Linux OS Analysis12/22/202253Linux OS Analysis阅读error_code12/22/202254Linux OS Analysis用于传递do_xxx，最后为_KERNEL_PERCPU此时的内核态堆栈ssespeflagcseiporig_eax:0fsesdseaxebpediesiedxecxebxerror_codePointer返回地址硬件自动保存error_code代码手工压入esp高地址低地址Thread_infopt_regs指针Error_code拷贝完后，被设为-1用于传
29、递Errorc_ode12/22/202255Linux OS Analysispt_regs结构结构(恢复现场所需的上下文）恢复现场所需的上下文）栈底（高地址）栈顶（低地址）12/22/202256Linux OS Analysis异常处理异常处理当C函数终止时，根据堆栈中的返回地址，CPU从call*%edi这条指令的下一条指令开始继续执行，即：jmp ret_from_exceptionssespeflagcseiporgi_eax(-1)fsesdseaxebpediesiedxecxebxerror_codePointer返回地址硬件自动保存将由iret指令负责弹出前面的汇编手工压入
30、，将由restore_all负责弹出esp进程描述符12/22/202257Linux OS Analysis中断处理中断处理中断跟异常不同，它并不是表示程序出错，而是硬件设备有所动作，所以不是简单地往当前进程发送一个信号就OK的主要有三种类型的中断：I/O设备发出中断请求时钟中断处理器间中断(在SMP,Symmetric Multiprocessor上才会有这种中断)12/22/202258Linux OS AnalysisI/O中断处理中断处理I/O中断处理程序必须足够灵活以给多个设备同时提供服务比如几个设备可以共享同一个IRQ线(2个8359级联也只能提供15根IRQ线，所以外设共享IR
31、Q线是很正常的)这就意味着仅仅中断向量解决不了全部问题12/22/202259Linux OS Analysis灵活性以两种不同的方式达到IRQ共享：中断处理程序执行多个中断服务例程(interrupt service routines,ISRs)。每个ISR是一个与单独设备(共享IRQ线)相关的函数IRQ动态分配：一条IRQ线在可能的最后时刻才与一个设备相关联12/22/202260Linux OS Analysis为了保证系统对外部的响应，一个中断处理程序必须被尽快的完成。因此，把所有的操作都放在中断处理程序中并不合适Linux中把紧随中断要执行的操作分为三类紧急的(critical)一般
32、关中断运行。诸如对PIC应答中断，对PIC或是硬件控制器重新编程，或者修改由设备和处理器同时访问的数据12/22/202261Linux OS Analysis非紧急的(noncritical)如修改那些只有处理器才会访问的数据结构(例如按下一个键后读扫描码)，这些也要很快完成，因此由中断处理程序立即执行，不过一般在开中断的情况下12/22/202262Linux OS Analysis非紧急可延迟的(noncritical deferrable)如把缓冲区内容拷贝到某个进程的地址空间(例如把键盘缓冲区内容发送到终端处理程序进程)。这些操作可以被延迟较长的时间间隔而不影响内核操作，有兴趣的进程
33、将会等待数据。内核用下半部分这样一个机制来在一个更为合适的时机用独立的函数来执行这些操作12/22/202263Linux OS Analysis不管引起中断的设备是什么，所有的I/O中断处理程序都执行四个相同的基本操作1，在内核态堆栈保存IRQ的值和寄存器的内容2，为正在给IRQ线服务的PIC发送一个应答，这将允许PIC进一步发出中断3，执行共享这个IRQ的所有设备的中断服务例程4，跳到ret_from_intr()的地址12/22/202264Linux OS Analysis中断处理示意图中断处理示意图12/22/202265Linux OS AnalysisLinux中的中断向量分配表
34、中的中断向量分配表12/22/202266Linux OS AnalysisLinux中的设备中断中的设备中断IRQ号与I/O设备之间的对应关系是在初始化每个设备驱动程序时建立的12/22/202267Linux OS Analysis中断处理中断处理系统初始化时，调用init_IRQ()函数用新的中断门替换临时中断门来更新IDT这段代码在interrupt数组中找到用于建立中断门的中断处理程序地址。12/22/202268Linux OS AnalysisInterrupt数组数组的定义的定义(比较隐晦比较隐晦)12/22/202269Linux OS Analysis因此，每个中断程序入口
35、操作为：将中断向量入栈保存所有其他寄存器调用do_IRQ跳转到ret_from_intr12/22/202270Linux OS Analysisdo_IRQ（查看（查看do_IRQ源码源码）do_IRQ使用的数据结构（体系结构无关）：irq_desc数组包含了NR_IRQS(通常为224)个irq_desc_t描述符224Irq_descIrq_chip中断控制器处理例程每一个中断号具有一个描述符，使用action链表连接共享同一个中断号的多个设备和中断12/22/202271Linux OS Analysis查看相关数据结构查看irq_desc数组的定义和最初的初始化12/22/20227
36、2Linux OS Analysisirqaction数据结构数据结构用来实现IRQ的共享，维护共享irq的特定设备和特定中断，所有共享一个irq的链接在一个action表中，由中断描述符中的action指针指向设置irqaction的函数：setup_irq链表中断处理程序12/22/202273Linux OS Analysisirq_chip数据结构数据结构为特定PIC编写的低级I/O例程例如8259的为一个中断设置irq_chipset_irq_chip_and_handler_name等set_irq_chip12/22/202274Linux OS Analysis例如：在init
37、_IRQ（即native_init_IRQ）中，调用的pre_intr_init_hook可能如下定义12/22/202275Linux OS Analysis12/22/202276Linux OS Analysis又如：make_8259A_irq12/22/202277Linux OS Analysisirq_flow_handler_t_set_irq_handler设置handle_irq数据项handle_level_irq 8259handle_simple_irqhandle_fasteoi_irqhandle_edge_irqhandle_percpu_irqhandle_I
38、RQ_eventaction-handler12/22/202278Linux OS AnalysisActionhandle在setup_irq时，给定例如12/22/202279Linux OS Analysis小结：中断处理过程小结：中断处理过程在调用do_IRQ之前，要为中断处理程序保存寄存器在interrupt数组中定义的中断处理程序中每个入口地址转换成汇编码是如下的一些指令 interruptirq:pushl$(vector)jmp common_interrupt这里对所有的中断处理程序都执行相同的代码common_interrupt:SAVE_ALLmovl%esp,%eax
39、call do_IRQjmp$ret_from_intr12/22/202280Linux OS Analysisssespeflagcseip$(vector)fsesdseaxebpediesiedxecxebx返回地址Pointer硬件自动保存SAVE_ALLespThread infodo_IRQ执行时内核态的堆栈do_IRQ()的函数声明从do_IRQ返回后要执行的指令地址ret_from_intr12/22/202281Linux OS Analysis中断处理中断处理do_IRQ()函数的等价代码：int irq=regs-orig_ax;/1irq_descirq-handle
40、_irq(irq,desc);/2mask_ack_irq(desc,irq);/3handle_IRQ_event(irq,®s,irq_descirq.action);/4irq_descirq.handler-end(irq);/5处理下半部分/61句取得对应的中断向量2句调用中断处理句柄，对8259，就是handle_level_irq3句应答PIC的中断，并禁用这条IRQ线。(为串行处理同类型中断)4调用handle_IRQ_event()执行中断服务例程，例如timer_interrupt5句通知PIC重新激活这条IRQ线，允许处理同类型中断12/22/202282Linux
41、 OS Analysis中断服务例程中断服务例程一个中断服务例程实现一种特定设备的操作，handle_IRQ_evnet()函数依次调用这些设备例程这个函数本质上执行了如下核心代码:doaction-handler(irq,action-dev_id,regs);action=action-next;while(action)12/22/202283Linux OS Analysis主要内容主要内容中断信号的作用和中断信号处理的一般原则I/O设备如何引起CPU中断x86 CPU如何在硬件级处理中断信号Linux内核中软件级中断处理及其数据结构Linux的软中断、的软中断、tasklet以及下半
42、部分以及下半部分12/22/202284Linux OS Analysis软中断、软中断、tasklet以及下半部分以及下半部分对内核来讲，可延迟中断不是很紧急，可以将它们从中断处理例程中抽取出来，保证较短的中断响应时间Linux2.6提供了三种方法可延迟的函数软中断、taskletTasklet在软中断之上实现一般原则：在同一个CPU上软中断/tasklet不嵌套软中断由内核静态分配（编译时确定）Tasklet可以在运行时分配和初始化（例如装入一个内核模块时）工作队列（work queues）软中断初始化激活屏蔽执行tasklettasklet_hitasklettasklettasklet
43、下半部分激活导致一个相应的tasklet插入12/22/202285Linux OS Analysis一般而言，可延迟函数上可以执行4种操作初始化：定义一个新的可延迟函数，通常在内核初始化时进行激活：设置可延迟函数在下一轮处理中执行屏蔽：有选择的屏蔽一个可延迟函数，这样即使被激活也不会被运行执行：在特定的时间执行可延迟函数12/22/202286Linux OS Analysis软中断软中断Linux2.6.26使用有限个软中断优先级0：处理高优先级的tasklet和下半部分优先级2：把数据包传送到网卡优先级3：从网卡接受数据包优先级5：处理tasklet优先级1：与时钟中断相关的taskle
44、t优先级4：块设备相关优先级6：调度SMP相关12/22/202287Linux OS Analysis在softirq_vec中定义优先级对应于softirq_vec的下标软中断函数及其参数12/22/202288Linux OS Analysis软中断的初始化软中断的初始化初始化软中断函数分别在softirq_init和net_dev_init、blk_dev_init等中初始化例如例如12/22/202289Linux OS Analysis软中断的触发软中断的触发raise_softirq12/22/202290Linux OS Analysis软中断的检查软中断的检查local_so
45、ftirq_pending在某些特定的时机，会检查是否有软中断被挂起调用local_bh_enable重新激活软中断时当do_IRQ完成了I/O中断的处理时当那个特定的进程ksoftirqd被唤醒时这种时机，称为检查点12/22/202291Linux OS Analysis在每个检查点在每个检查点若有软中断被挂起，就调用do_softirq判断是否可以执行软中断若可以，就执行软中断执行后，若发现又有新的软中断被激活，就唤醒ksoftirqd进程，来触发do_softirq的另一次执行12/22/202292Linux OS AnalysisKsoftirqd内核线程内核线程12/22/202
46、293Linux OS AnalysisTaskletTasklet是I/O驱动程序中实现可延迟函数的首选方法建立在HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ等软中断之上Tasklet和高优先级的tasklet分别存放在tasklet_vec和tasklet_hi_vec数组中数组的每一项针对一个CPU，代表这个CPU上的tasklet列表分别由tasklet_action和tasklet_hi_action处理找到CPU对应的那个项，遍历执行12/22/202294Linux OS Analysis0：enable0：disable12/22/202295Linux OS Anal
47、ysisTasklet的使用的使用当需要使用tasklet时，可以按照如下方法进行1、分配一个tasklet的数据结构，并初始化=相当于声明（定义）一个tasklet2、可以禁止/允许这个tasklet=相当于定义了一个是否允许使用tasklet的窗口3、可以激活这个tasklet=这个tasklet被插入task_vec或者task_hi_vec的相应CPU的链表上，将在合适的时机得到处理12/22/202296Linux OS Analysis激活激活tasklet的方法的方法即将tasklet插入到合适的链表中Tasklet_scheduleTasklet_hi_schedule12/2
48、2/202297Linux OS Analysis工作队列和工作线程工作队列和工作线程相关数据结构workqueue_struct；cpu_workqueue_structwork_struct；delayed_work入列 queue_work；queue_delayed_work工作队列的处理run_workqueueworker_thread12/22/202298Linux OS Analysis从中断和异常返回从中断和异常返回中断和异常的终止目的很清楚，即恢复某个程序的执行，但是还有几个问题要考虑内核控制路径是否嵌套如果仅仅只有一条内核控制路径，那CPU必须切换到用户态挂起进程的切换请求如果有任何请求，必须调度；否则，当前进程得以运行挂起的信号如果一个信号发送到进程，那必须处理它等等12/22/202299Linux OS Analysis阅读阅读Entry.S中从中断和异常返回的代码中从中断和异常返回的代码阅读ULK3（中文，188页）中的图12/22/2022100Linux OS Analysis作业作业名词解释：故障和陷阱12/22/2022101Linux OS Analysis