Linux中的中斷處理分析

前兩天一直在思考一個問題，在PCI-Express總線引入Linux之后，Linux的中斷處理部分會有什么變化呢?要回答這個問題首先需要分析一下Linux系統(tǒng)是如何調(diào)用中斷服務(wù)程序的。其實，正因為Linux對中斷處理部分良好的封裝性，使得PCI總線向PCI-Express過渡時沒有觸及到框架性的變化。

其實, 幾年前第一次分析Linux中斷處理函數(shù)的時候就覺得非常奇怪，Linux將所有的中斷處理都需要通過一個do_IRQ的函數(shù)完成。也就是說，Linux沒有充分利用不同處理器體系架構(gòu)在中斷處理方面的不同，沒有充分利用中斷向量表的作用。在X86處理器上，我們都知道不同的中斷號對應(yīng)不同的中斷向量，當(dāng)一個中斷發(fā)生的時候，處理器會直接跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)中斷向量表的位置，然后執(zhí)行中斷向量表處的對應(yīng)函數(shù)。顯然Linux沒有充分利用中斷向量表，一旦進入中斷之后，不管是什么中斷，Linux會通過中斷向量表執(zhí)行do_IRQ這樣一個公共函數(shù)。然后在這個公共函數(shù)中再通過中斷號查找對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。這樣的處理顯然增加了中斷服務(wù)程序的調(diào)用延遲。Linux的中斷處理函數(shù)do_IRQ調(diào)用過程示例代碼如下所示：

IRQn_interrupt: pushl $n-256 jmp common_interrupt common_interrupt: SAVE_ALL call do_IRQ jmp ret_from_intr

在do_IRQ函數(shù)中，Linux會通過事先存儲的中斷號(push $n-256)在irq_desc[]數(shù)組中找到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序集。由于很多外部設(shè)備都是共享中斷的，特別是傳統(tǒng)的PCI設(shè)備是共享中斷號的，因此，Linux會依次執(zhí)行這些中斷服務(wù)程序集。在中斷服務(wù)程序中，首先需要讀取對應(yīng)設(shè)備的中斷狀態(tài)寄存器，來判斷這個中斷是否是自己的，如果是自己的，那么認(rèn)領(lǐng)這個中斷，執(zhí)行中斷上半部的操作，否則，將這個中斷執(zhí)行的機會讓給其他的服務(wù)程序。Linux中的irq_desc[]和irq_action是中斷處理過程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，設(shè)備驅(qū)動程序這冊中斷操作也就是將中斷服務(wù)程序注冊到這些結(jié)構(gòu)中，這兩個結(jié)構(gòu)的關(guān)系我們可以表示如下：

通過上述分析，我覺得Linux的這種處理不是最佳處理的，優(yōu)點是對于不同體系結(jié)構(gòu)的處理器具有普適性。通過do_IRQ函數(shù)可以將所有處理器在中斷處理機制方面的差異給屏蔽掉，但是，的確損失了中斷處理的實時性。在ARM處理器中，為了提高中斷處理實時性，將中斷處理分為向量中斷(vector interrupt)和快速中斷(fast interrupt)兩類。在通常的ARM編程中，我們會對應(yīng)的中斷服務(wù)程序注冊到一個中斷向量上，當(dāng)這個中斷被觸發(fā)的時候，ARM處理器會自動加載中斷服務(wù)程序地址到一個寄存器中，該寄存器的地址會被填寫到中向量表中，因此，ARM會直接調(diào)用執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序只需保存寄存器現(xiàn)場即可。對于快速中斷，ARM的處理更加直接直接，并且硬件會自動保存寄存器現(xiàn)場，節(jié)省了中斷服務(wù)程序調(diào)用時鐘周期，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。如果采用Linux的機制，那么硬件提供的一些優(yōu)勢全部付之一炬，但是換回的是可移植性。對于實時系統(tǒng)而言，這個地方是需要修改的。

傳統(tǒng)的PCI總線采用的是共享中斷的方式，帶來的問題就是中斷處理實時性不夠，每次發(fā)生PCI中斷的時候，注冊在相同中斷向量上的服務(wù)程序都需要查詢自己的中斷狀態(tài)寄存器，以此來判斷該中斷是否屬于自己。為了解決這個問題，PCI在演進過程中提出了SMI中斷的內(nèi)容，PCI設(shè)備向CPU發(fā)出中斷請求時，直接向總線發(fā)送SMI消息，Root Complex中的APIC在接收到這個消息之后，有兩種方式將這個中斷事務(wù)上報給處理器：第一種方式是在Root Complex中的APIC上定義一個寄存器，在這個寄存器中可以存儲PCI設(shè)備提交的中斷向量號，當(dāng)APIC接收到中斷事務(wù)之后，會向處理器提交中斷請求(INTX)，CPU進入中斷服務(wù)程序之后，會查詢APIC中的寄存器得到中斷向量，然后調(diào)用該中斷向量對應(yīng)的中斷服務(wù)程序;第二種方式是APIC在接收到中斷事務(wù)之后，向處理器發(fā)送一個FSB中斷事務(wù)，CPU接收到這個FSB的中斷事務(wù)后，會進入中斷狀態(tài)，并且從該事務(wù)中獲得中斷向量號，然后直接調(diào)用對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。顯然，第一種方式需要額外的寄存器訪問延遲，而第二種方式采用FSB的中斷事務(wù)直接將中斷向量號告訴處理器，這種方式的效率會更高。

對于PCI設(shè)備端，需要實現(xiàn)SMI中斷機制，需要利用額外的中斷配置空間。在設(shè)備驅(qū)動加載的時候，會給每個PCI設(shè)備分配SMI消息發(fā)送給地址，以及對應(yīng)的中斷向量號，驅(qū)動程序 會將這些信息寫入PCI設(shè)備配置空間。在PCI設(shè)備發(fā)送中斷請求的時候，直接將分配的中斷向量號通過PCI寫事務(wù)寫入分配的地址即可。

通過上述分析，PCI-Express的SMI中斷會將中斷向量號提交給CPU，不管是處理器查詢APIC寄存器還是通過FSB中斷事務(wù)告訴給處理器，最終，在處理器進入中斷之后可以得到對應(yīng)設(shè)備的中斷向量號，因此，可以直接調(diào)用現(xiàn)有的do_IRQ來執(zhí)行中斷服務(wù)程序。而且，PCI-Express設(shè)備沒有必要共享中斷向量號，因此，中斷服務(wù)程序處理的效率的確高了不少。