5.分析內核中斷運行過程,以及中斷3大結構體:irq_desc、irq_chip、irqaction(詳解)
本節目標:html
分析在linux中的中斷是如何運行的,以及中斷3大結構體:irq_desc、irq_chip、irqactionlinux
在裸板程序中(參考stmdb和ldmia詳解):數組
1.按鍵按下,框架
2.cpu發生中斷，dom
3.強制跳到異常向量入口執行(0x18中斷地址處)函數
3.1使用stmdb將寄存器值保存在棧頂(保護現場)this
stmdb sp!, { r0-r12,lr }
3.2執行中斷服務函數spa
3.3 使用ldmia將棧頂處數據讀出到寄存器中，並使pc=lr(恢復現場)debug
ldmia sp!, { r0-r12,pc }^
//^表示將spsr的值複製到cpsr,由於異常返回後須要恢復異常發生前的工做狀態
在linux中:指針
須要先設置異常向量地址(參考linux應用手冊P412):
在ARM裸板中異常向量基地址是0x00000000,以下圖:
而linux內核中異常向量基地址是0xffff0000(虛擬地址),
位於代碼arch/cam/kernel/traps.c,代碼以下:
void __init trap_init(void) { /* CONFIG_VECTORS_BASE :內核配置項,在.config文件中,設置的是0Xffff0000*/ /* vectors =0xffff0000*/ unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE; ... ...
/*將異常向量地址複製到0xffff0000處*/ memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start); memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start); memcpy((void *)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz); ... ... }
上面代碼中主要是將__vectors_end - __vectors_start之間的代碼複製到vectors (0xffff0000)處,
__vectors_start爲何是異常向量基地址?
經過搜索,找到它在arch/arm/kernel/entry_armv.S中定義:
__vectors_start: swi SYS_ERROR0 //復位異常,復位時會執行 b vector_und + stubs_offset //undefine未定義指令異常 ldr pc, .LCvswi + stubs_offset //swi軟件中斷異常 b vector_pabt + stubs_offset //指令預取停止abort b vector_dabt + stubs_offset //數據訪問停止abort b vector_addrexcptn + stubs_offset //沒有用到 b vector_irq + stubs_offset //irq異常 b vector_fiq + stubs_offset //fig異常
其中stubs_offset是連接地址的偏移地址, vector_und、vector_pabt等表示要跳轉去執行的代碼
1.以vector_irq中斷爲例, vector_irq是個宏,它在哪裏定義呢？
它仍是在arch/arm/kernel/entry_armv.S中定義,以下所示:
vector_stub irq, IRQ_MODE, 4//irq:名字 IRQ_MODE:0X12 4:偏移量
上面的vector_stub 根據參數irq, IRQ_MODE, 4來定義」 vector_ irq」這個宏(其它宏也是這樣定義的)
2.vector_stub又是怎麼實現出來的定義不一樣的宏呢?
咱們找到vector_stub這個定義:
.macro vector_stub, name, mode, correction=0 //定義vector_stub有3個參數 .align 5 vector_\name: //定義不一樣的宏,好比vector_ irq .if \correction //判斷correction參數是否爲0 sub lr, lr, #\correction //計算返回地址 .endif
@ @ Save r0, lr_<exception> (parent PC) and spsr_<exception> @ (parent CPSR) @ stmia sp, {r0, lr} @ save r0, lr mrs lr, spsr //讀出spsr str lr, [sp, #8] @ save spsr @ @ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled. @ 進入管理模式 mrs r0, cpsr //讀出cpsr eor r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE) msr spsr_cxsf, r0 @ @ the branch table must immediately follow this code @ and lr, lr, #0x0f //lr等於進入模式以前的spsr,&0X0F就等於模式位 mov r0, sp ldr lr, [pc, lr, lsl #2] movs pc, lr @ branch to handler in SVC mode
3.所以咱們將上面__vectors_start裏的b vector_irq + stubs_offset 中斷展開以下:
.macro vector_stub, name, mode, correction=0 //定義vector_stub有3個參數 .align 5 vector_stub irq, IRQ_MODE, 4 //這三個參數值代入 vector_stub中 vector_ irq: //定義 vector_ irq /*計算返回地址(在arm流水線中,lr=pc+8,可是pc+4只譯碼沒有執行,因此lr=lr-4) */ sub lr, lr, #4 @ @ Save r0, lr_<exception> (parent PC) and spsr_<exception> @ (parent CPSR) @保存r0和lr和spsr stmia sp, {r0, lr} //存入sp棧裏 mrs lr, spsr //讀出spsr str lr, [sp, #8] @ save spsr @ @ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled. @ 進入管理模式 mrs r0, cpsr //讀出cpsr eor r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE) msr spsr_cxsf, r0 @ @ the branch table must immediately follow this code @ and lr, lr, #0x0f //lr等於進入模式以前的spsr,&0X0F就等於模式位 mov r0, sp ldr lr, [pc, lr, lsl #2] //若是進入中斷前是usr，則取出PC+4*0的內容，即__irq_usr @若是進入中斷前是svc，則取出PC+4*3的內容，即__irq_svc movs pc, lr //跳轉到下面某處,且目標寄存器是pc,指令S結尾,最後會恢復cpsr. .long __irq_usr @ 0 (USR_26 / USR_32) .long __irq_invalid @ 1 (FIQ_26 / FIQ_32) .long __irq_invalid @ 2 (IRQ_26 / IRQ_32) .long __irq_svc @ 3 (SVC_26 / SVC_32) .long __irq_invalid @ 4 .long __irq_invalid @ 5 .long __irq_invalid @ 6 .long __irq_invalid @ 7 .long __irq_invalid @ 8 .long __irq_invalid @ 9 .long __irq_invalid @ a .long __irq_invalid @ b .long __irq_invalid @ c .long __irq_invalid @ d .long __irq_invalid @ e .long __irq_invalid @ f
從上面代碼中的註釋能夠看出:
- 1).將發生異常前的各個寄存器值保存在SP棧裏,如果中斷異常,則PC=PC-4,也就是CPU下個要運行的位置處
- 2).而後根據進入中斷前的工做模式不一樣，程序下一步將跳轉到_irq_usr 、或__irq_svc等位置。
4.咱們先選擇__irq_usr做爲下一步跟蹤的目標:
4.1其中__irq_usr的實現以下(arch\arm\kernel\entry-armv.S):
__irq_usr: usr_entry //保存數據到棧裏 get_thread_info tsk irq_handler //調用irq_handler b ret_to_user
4.2.irq_handler的實現過程，arch\arm\kernel\entry-armv.S
.macro irq_handler get_irqnr_preamble r5, lr get_irqnr_and_base r0, r6, r5, lr // get_irqnr_and_base:獲取中斷號,r0=中斷號 movne r1, sp //r1等於sp (發生中斷以前的各個寄存器的基地址) adrne lr, 1b bne asm_do_IRQ //調用asm_do_IRQ, irq=r0 regs=r1
irq_handler最終調用asm_do_IRQ
4.3 asm_do_IRQ實現過程，arch/arm/kernel/irq.c
該函數和裸板中斷處理同樣的,完成3件事情：
1).分辨是哪一個中斷；
2).經過desc_handle_irq(irq, desc)調用對應的中斷處理函數；
3).清中斷
asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs) //irq:中斷號 *regs:發生中斷前的各個寄存器基地址 { struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs); /*根據irq中斷號，找到哪一個中斷, *desc =irq_desc[irq]*/ struct irq_desc *desc = irq_desc + irq; // irq_desc是個數組(位於kernel/irq/handle.c) if (irq >= NR_IRQS) desc = &bad_irq_desc; irq_enter(); desc_handle_irq(irq, desc); // desc_handle_irq根據中斷號和desc，調用函數指針，進入中斷處理， irq_finish(irq); irq_exit(); set_irq_regs(old_regs); }
上面主要是執行desc_handle_irq函數進入中斷處理
其中desc_handle_irq代碼以下:
desc->handle_irq(irq, desc);//至關於執行irq_desc[irq]-> handle_irq(irq, irq_desc[irq]);
它會執行handle_irq成員函數,這個成員handle_irq又是在哪裏被賦值的？
搜索handle_irq,找到它位於kernel/irq/chip.c,__set_irq_handler函數下:
void __set_irq_handler(unsigned int irq, irq_flow_handler_t handle, int is_chained,const char *name) { ... ... desc = irq_desc + irq; //在irq_desc結構體數組中找到對應的中斷 ... ... desc->handle_irq = handle; //使handle_irq成員指向handle參數函數 }
繼續搜索__set_irq_handler函數,它被set_irq_handler函數調用:
static inline void set_irq_handler(unsigned int irq, irq_flow_handler_t handle) { __set_irq_handler(irq, handle, 0, NULL); }
繼續搜索set_irq_handler函數,以下圖
發現它在s3c24xx_init_irq(void)函數中被屢次使用,顯然在中斷初始化時,屢次進入__set_irq_handler函數,並在irq_desc數組中構造了不少項 handle_irq函數
咱們來看看irq_desc中斷描述結構體到底有什麼內容:
struct irq_desc { irq_flow_handler_t handle_irq; //指向中斷函數, 中斷產生後，就會執行這個handle_irq struct irq_chip *chip; //指向irq_chip結構體,用於底層的硬件訪問,下面會介紹 struct msi_desc *msi_desc; void *handler_data; void *chip_data; struct irqaction *action; /* IRQ action list */ //action鏈表,用於中斷處理函數 unsigned int status; /* IRQ status */ unsigned int depth; /* nested irq disables */ unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */ unsigned int irq_count; /* For detecting broken IRQs */ unsigned int irqs_unhandled; spinlock_t lock; ... ... const char *name; //產生中斷的硬件名字 } ;
其中的成員*chip的結構體,用於底層的硬件訪問, irq_chip類型以下:
struct irq_chip { const char *name; unsigned int (*startup)(unsigned int irq); //啓動中斷 void (*shutdown)(unsigned int irq); //關閉中斷 void (*enable)(unsigned int irq); //使能中斷 void (*disable)(unsigned int irq); //禁止中斷 void (*ack)(unsigned int irq); //響應中斷,就是清除當前中斷使得能夠再接收下箇中斷 void (*mask)(unsigned int irq); //屏蔽中斷源 void (*mask_ack)(unsigned int irq); //屏蔽和響應中斷 void (*unmask)(unsigned int irq); //開啓中斷源 ... ... int (*set_type)(unsigned int irq, unsigned int flow_type); //將對應的引腳設置爲中斷類型的引腳 ... ... #ifdef CONFIG_IRQ_RELEASE_METHOD void (*release)(unsigned int irq, void *dev_id); //釋放中斷服務函數 #endif };
其中的成員struct irqaction *action,主要是用來存用戶註冊的中斷處理函數,
一箇中斷能夠有多個處理函數 ,當一箇中斷有多個處理函數,說明這個是共享中斷.
所謂共享中斷就是一箇中斷的來源有不少,這些來源共享同一個引腳。
因此在irq_desc結構體中的action成員是個鏈表,以action爲表頭,如果一個以上的鏈表就是共享中斷
irqaction結構定義以下:
struct irqaction { irq_handler_t handler; //等於用戶註冊的中斷處理函數,中斷髮生時就會運行這個中斷處理函數 unsigned long flags; //中斷標誌,註冊時設置,好比上升沿中斷，降低沿中斷等 cpumask_t mask; //中斷掩碼 const char *name; //中斷名稱,產生中斷的硬件的名字 void *dev_id; //設備id struct irqaction *next; //指向下一個成員 int irq; //中斷號, struct proc_dir_entry *dir; //指向IRQn相關的/proc/irq/ };
上面3個結構體的關係以下圖所示:
咱們來看看s3c24xx_init_irq()函數是怎麼初始化中斷的,之外部中斷0爲例(位於s3c24xx_init_irq函數):
s3c24xx_init_irq()函數中部分代碼以下:
/*其中IRQ_EINT0=16, 因此irqno=16 */ for (irqno = IRQ_EINT0; irqno <= IRQ_EINT3; irqno++)
{ irqdbf("registering irq %d (ext int)\n", irqno);
/*在set_irq_chip函數中會執行: desc = irq_desc + irq; desc->chip = chip;*/ set_irq_chip(irqno, &s3c_irq_eint0t4); //因此(irq_desc+16)->chip= &s3c_irq_eint0t4 /* set_irq_handler 會調用__set_irq_handler 函數*/ set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq); //因此(irq_desc+16)-> handle_irq = handle_edge_irq
set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID); }
初始化了外部中斷0後,當外部中斷0觸發，就會進入咱們以前分析的asm_do_IRQ函數中,調用(irq_desc+16)-> handle_irq也就是handle_edge_irq函數。
咱們來分析下handle_edge_irq函數是如何執行中斷服務的:
void fastcall handle_edge_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc) { const unsigned int cpu = smp_processor_id(); spin_lock(&desc->lock); desc->status &= ~(IRQ_REPLAY | IRQ_WAITING); /*判斷這個中斷是否正在運行(INPROGRESS)或者禁止(DISABLED)*/ if (unlikely((desc->status & (IRQ_INPROGRESS | IRQ_DISABLED)) || !desc->action))
{ desc->status |= (IRQ_PENDING | IRQ_MASKED); mask_ack_irq(desc, irq); //屏蔽中斷 goto out_unlock; } kstat_cpu(cpu).irqs[irq]++; //計數中斷次數
/* Start handling the irq */ desc->chip->ack(irq); //開始處理這個中斷 /* Mark the IRQ currently in progress.*/ desc->status |= IRQ_INPROGRESS; //標記當前中斷正在運行 do { struct irqaction *action = desc->action; irqreturn_t action_ret; if (unlikely(!action)) { //判斷鏈表是否爲空 desc->chip->mask(irq); goto out_unlock; } if (unlikely((desc->status & (IRQ_PENDING | IRQ_MASKED | IRQ_DISABLED)) == (IRQ_PENDING | IRQ_MASKED))) { desc->chip->unmask(irq); desc->status &= ~IRQ_MASKED; } desc->status &= ~IRQ_PENDING; spin_unlock(&desc->lock); action_ret = handle_IRQ_event(irq, action); //真正的處理過程 if (!noirqdebug) note_interrupt(irq, desc, action_ret); spin_lock(&desc->lock); } while ((desc->status & (IRQ_PENDING | IRQ_DISABLED)) == IRQ_PENDING); desc->status &= ~IRQ_INPROGRESS; out_unlock: spin_unlock(&desc->lock); }
上面handle_edge_irq()函數主要執行了:
1. desc->chip->ack(irq); //開始處理這個中斷
在s3c24xx_init_irq()函數中chip成員指向了s3c_irq_eint0t4(),
因此desc->chip->ack(irq)就是執行handle_edge_irq(irq)函數,handle_edge_irq函數以下:
s3c_irq_ack(unsigned int irqno) { unsigned long bitval = 1UL << (irqno - IRQ_EINT0); __raw_writel(bitval, S3C2410_SRCPND); //向SRCPND寄存器寫入bitval ,清SRCPND中斷 __raw_writel(bitval, S3C2410_INTPND); //向INTPND寄存器位寫入bitval ，清INTPND中斷 }
因此desc->chip->ack(irq); 主要執行清中斷之類的
2.handle_IRQ_event(irq, action); //真正的處理過程
handle_IRQ_event()代碼以下:
handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct irqaction *action) { irqreturn_t ret, retval = IRQ_NONE; unsigned int status = 0; handle_dynamic_tick(action); if (!(action->flags & IRQF_DISABLED)) local_irq_enable_in_hardirq(); do { ret = action->handler(irq, action->dev_id); //執行action->handler if (ret == IRQ_HANDLED) status |= action->flags; retval |= ret; action = action->next; //指向下個action成員 } while (action); //取出action全部成員 if (status & IRQF_SAMPLE_RANDOM) add_interrupt_randomness(irq); local_irq_disable(); return retval; }
因此handle_IRQ_event()函數主要是取出action鏈表中的成員,而後執行irq_desc->action->handler(irq, action->dev_id);
action鏈表是irq_desc中斷描述符結構體的 成員
本節經常使用函數總結:
trap_init(): 初始化異常向量的虛擬基地址,通常爲0XFFFF0000
s3c24xx_init_irq():初始化各個中斷
set_irq_chip(irqno, &s3c_irq_eint0t4):設置irq_desc[irqno]->chip等於第二個參數
set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq); 設置irq_desc[irqno]->handle_irq等於第二個參數
asm_do_IRQ():中斷產生後,會進入這個函數,最終執行 desc->handle_irq(irq, desc);
handle_edge_irq(irq, desc):執行中斷函數,主要是執行如下兩步驟:
(1) desc->chip->ack(irq):相應中斷,也就是清中斷,使能再次接受中斷
(2) handle_IRQ_event(irq, action):執行中斷的服務函數,desc->action->handler
中斷運行總結:
當產生一箇中斷異常
1.進入異常向量vector,好比中斷異常: vector_irq + stubs_offset
2.好比中斷異常以前是用戶模式(正常工做),則進入 __irq_usr,而後最終進入asm_do_IRQ函數,
3.而後執行irq_desc [irq]->handle_irq(irq, irq_desc [irq]);
經過剛纔的分析,外部中斷0(irq_desc[16])的handle_irq成員等於handle_edge_irq函數,
因此就是執行handle_edge_irq(irq, irq_desc [irq]);
4.之外部中斷0爲例,在handle_edge_irq函數中主要執行兩步:
->4.1 desc->chip->ack //使用chip成員中的ack函數來清中斷
->4.2 執行action鏈表 irq_desc->action->handler
這4步都是系統給作好的(中斷的框架),當咱們想本身寫個中斷處理程序,去執行本身的代碼,就須要寫irq_desc->action->handler,而後經過request_irq()來向內核申請註冊中斷
中斷運行分析完畢後,接下來開始分析如何經過函數來註冊卸載中斷
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