Linux x86_64内核中断初始化
[TOC]
中断分类
Linux系统中，中断分为：
- 硬中断：由外部设备或者执行异常产生的需要快速处理的中断。如缺页中断、定时器硬件中断。
根据内部产生还是外部产生，分为：
- 异常：异常是内部产生的中断，不可屏蔽。
外部中断：外部中断是由外部设备产生的，可以屏蔽。
软中断：
软中断是Linux系统中断处理的底半处理部分，是Linux模拟的中断。为了加快硬件中断的处理，防止数据的丢失，Linux对中断处理分为顶半处理和底半处理两部分，顶半处理程序快速处理硬件事件，把不是那么紧急的逻辑放到底半处理程序中，可以简单的认为硬终端处理程序为顶半处理程序，软中断处理程序为底半处理程序。软中断一般在硬中断处理程序执行后才会执行。但是当硬中断嵌套的时候，软中断会在所有的硬中断处理完毕后才会处理。
内核初始化-中断
intel处理器有256个硬中断号。其中前32个中断号为异常使用，在内核初始化的时候进行初始化。内核初始化的代码流程如下：
可以看到首先初始化异常处理，再初始化部分外部中断，再初始化一部分软中断处理。
asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
lock_kernel();
...
//初始化调度模块
sched_init();
...
sort_main_extable();
// 初始化异常处理。
trap_init();
...
// 初始化外部中断
init_IRQ();
...
// 初始化定时器模块，同时，会注册定时器的软中断处理函数。
init_timers();
// 初始化软中断）
softirq_init();
time_init();
...
// 初始化
acpi_early_init();
}异常中断初始化
异常中断在内核中称为trap，异常中断初始化代码为
//门初始化。初始化中断向量表。系统有固定的256个硬件中断向量。
void __init trap_init(void)
{
set_intr_gate(0,÷_error);
set_intr_gate_ist(1,&debug,DEBUG_STACK);
set_intr_gate_ist(2,&nmi,NMI_STACK);
set_intr_gate(3,&int3);
set_system_gate(4,&overflow); /* int4-5 can be called from all */
set_system_gate(5,&bounds);
set_intr_gate(6,&invalid_op);
set_intr_gate(7,&device_not_available);
set_intr_gate_ist(8,&double_fault, DOUBLEFAULT_STACK);
set_intr_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
set_intr_gate(10,&invalid_TSS);
set_intr_gate(11,&segment_not_present);
set_intr_gate_ist(12,&stack_segment,STACKFAULT_STACK);
set_intr_gate(13,&general_protection);
set_intr_gate(14,&page_fault);
set_intr_gate(15,&spurious_interrupt_bug);
set_intr_gate(16,&coprocessor_error);
set_intr_gate(17,&alignment_check);
#ifdef CONFIG_X86_MCE
set_intr_gate_ist(18,&machine_check, MCE_STACK);
#endif
set_intr_gate(19,&simd_coprocessor_error);
#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
set_system_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall);
#endif
set_intr_gate(KDB_VECTOR, call_debug);
/*
* Should be a barrier for any external CPU state.
*/
cpu_init();
}总结如下：
| 中断向量号 | 异常事件 | Linux的处理程序 |
|---|---|---|
| 0 | 除法错误 | Divide_error |
| 1 | 调试异常 | Debug |
| 2 | NMI中断 | Nmi |
| 3 | 单字节，int 3 | Int3 |
| 4 | 溢出 | Overflow |
| 5 | 边界监测中断 | Bounds |
| 6 | 无效操作码 | Invalid_op |
| 7 | 设备不可用 | Device_not_available |
| 8 | 双重故障 | Double_fault |
| 9 | 协处理器段溢出 | Coprocessor_segment_overrun |
| 10 | 无效TSS | Incalid_tss |
| 11 | 缺段中断 | Segment_not_present |
| 12 | 堆栈异常 | Stack_segment |
| 13 | 一般保护异常 | General_protection |
| 14 | 页异常 | Page_fault |
| 15 | Spurious_interrupt_bug | |
| 16 | 协处理器出错 | Coprocessor_error |
| 17 | 对齐检查中断 | Alignment_check |
| 0x80 | 系统调用 | ia32_syscall |
| 0xf9 | 内核调试 | call_debug |
上述中断处理函数都是汇编语言编写。一部分汇编直接处理完毕，一部分通过调用C函数帮助处理。
汇编代码在linux/arch/x86_64/entry.S中，大部分都是调用C函数do_中断处理函数名处理。
整理如下：
| 中断向量号 | 异常事件 | Linux汇编 | 调用c函数 | 处理结果 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 除法错误 | Divide_error | do_divide_error | 发送SIGFPE信号 |
| 1 | 调试异常 | Debug | do_debug | 发送SIGTRAP信号 |
| 2 | NMI中断 | Nmi | do_nmi | |
| 3 | 单字节，int 3 | Int3 | do_int3 | 发送SIGTRAP信号 |
| 4 | 溢出 | Overflow | do_overflow | 发送SIGSEGV信号 |
| 5 | 边界监测中断 | Bounds | do_bounds | 发送SIGSEGV信号 |
| 6 | 无效操作码 | Invalid_op | do_invalid_op | 发送SIGILL信号 |
| 7 | 设备不可用 | Device_not_available | math_state_restore | 发送SIGSEGV信号 |
| 8 | 双重故障 | Double_fault | do_double_fault | |
| 9 | 协处理器段溢出 | Coprocessor_segment_overrun | do_coprocessor_segment_overrun | 发送SIGFPE信号 |
| 10 | 无效TSS | Invalid_tss | do_invalid_TSS | 发送SIGSEGV信号 |
| 11 | 缺段中断 | Segment_not_present | do_segment_not_present | 发送SIGBUS信号 |
| 12 | 堆栈异常 | Stack_segment | do_stack_segment | |
| 13 | 一般保护异常 | General_protection | do_general_protection | |
| 14 | 页异常 | Page_fault | do_page_fault | 处理缺页中断 |
| 15 | Spurious_interrupt_bug | do_spurious_interrupt_bug | ||
| 16 | 协处理器出错 | Coprocessor_error | do_coprocessor_error | 发送SIGFPE信号 |
| 17 | 对齐检查中断 | Alignment_check | do_alignment_check | 发送SIGBUS信号 |
| 0x80 | 系统调用 | ia32_syscall | ||
| 0xf9 | 内核调试 | call_debug | do_call_debug |
外部中断初始化
中断控制器硬件APIC分为两种：本地APIC和全局APIC。本地APIC集成在CPU内部，每个CPU都有一个，用于处理本地中断请求，CPU可以通过APIC向其他CPU发送中断，现在主要用于CPU之间的通信（IPI）。全局APIC主要是连接外部设备，用于外部设备的中断。在内核中断初始化的时候，会初始化三个与IPI相关中断。
void __init init_IRQ(void)
{
int i;
/**
* 该函数主要是初始化硬件
* 1. 初始化本地APIC控制芯片
* 2. 初始化8259A芯片
/
init_ISA_irqs();
/*
* 清空32以后的中断向量表。（除了系统调用和内核调试用的中断号）
*/
for (i = 0; i < (NR_VECTORS - FIRST_EXTERNAL_VECTOR); i++) {
int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
if (i >= NR_IRQS)
break;
if (vector != IA32_SYSCALL_VECTOR && vector != KDB_VECTOR) {
set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
}
}
// 多处理器通信中断
#ifdef CONFIG_SMP
set_intr_gate(FIRST_DEVICE_VECTOR, interrupt[0]);
set_intr_gate(RESCHEDULE_VECTOR, reschedule_interrupt);
set_intr_gate(INVALIDATE_TLB_VECTOR, invalidate_interrupt);
set_intr_gate(CALL_FUNCTION_VECTOR, call_function_interrupt);
#endif
// 本地APIC中断
#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
/* self generated IPI for local APIC timer */
set_intr_gate(LOCAL_TIMER_VECTOR, apic_timer_interrupt);
set_intr_gate(SPURIOUS_APIC_VECTOR, spurious_interrupt);
set_intr_gate(ERROR_APIC_VECTOR, error_interrupt);
#endif
setup_timer();
if (!acpi_ioapic)
setup_irq(2, &irq2);
}总结如下：
| 中断向量号 | 中断名 | 异常事件 | 中断处理函数 | 调用c函数 | 处理结果 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0xfc | RESCHEDULE_VECTOR | 处理器间中断， 用于cpu之间同学，其他cpu要求重新调度 | reschedule_interrupt | smp_reschedule_interrupt | 将线程调度标志置为需要重新调度。之后内核检查标志的时候会重新调度线程 |
| 0xfd | INVALIDATE_TLB_VECTOR | 处理器间中断， 用于cpu之间通信，其他cpu要求TLB缓存失效 | invalidate_interrupt | smp_invalidate_interrupt | cpu刷新TLB |
| 0xfa | CALL_FUNCTION_VECTOR | 处理器间中断， 用于cpu之间通信，让另外的cpu调用某个函数 | call_function_interrupt | smp_call_function_interrupt | 函数数据通过call_data_struct传送，cpu会调用该函数 |
| 0xef | LOCAL_TIMER_VECTOR | APIC定期器中断 | apic_timer_interrupt | smp_apic_timer_interrupt | 触发定时器的软中断 |
| 0xff | SPURIOUS_APIC_VECTOR | 伪中断 | spurious_interrupt | smp_spurious_interrupt | 忽略 |
| 0xfe | ERROR_APIC_VECTOR | APIC错误 | error_interrupt | smp_error_interrupt | 打印错误 |
0xfa中断说明：
当cpu需要另一个cpu执行某个函数时，只需要初始化
struct call_data_struct {
void (*func) (void *info);
void *info;
atomic_t started;
atomic_t finished;
int wait;
};的结构体，然后发出一个0xfa中断即可。
软中断初始化
软中断初始化分为两部分：
- 初始化定时器时，会打开TIMER_SOFTIRQ的软中断，并设置中断处理函数为run_timer_softirq。
- softirq_init函数执行，会打开TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ，处理函数分别为 tasklet_action和 tasklet_hi_action。
软中断的线程处理机制就不说了。