Linux x86_64内核中断初始化

时间：2021-02-23 19:41:46

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：

    1. 异常：异常是内部产生的中断，不可屏蔽。
    2. 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，当软中断太多，会放到ksoftirqd线程中处理。

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,&divide_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：

  1. 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。
  2. 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。

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