linux內(nèi)核軟中斷

　　中斷的作用：當(dāng)一個(gè)中斷信號(hào)到達(dá)時(shí)，CPU必須停止它當(dāng)前正做的工作，轉(zhuǎn)而去做中斷要求其做的事情。

　　中斷分為同步中斷和異步中斷兩種。

　　1、同步中斷又稱(chēng)異常，是由CPU執(zhí)行指令時(shí)由CPU控制單元產(chǎn)生的。異常又分兩種：

　　（1）、 一種是由程序執(zhí)行出錯(cuò)造成的，內(nèi)核通過(guò)發(fā)送一個(gè)unix的信號(hào)來(lái)處理異常。

　　（2）、一種是由內(nèi)核必須處理的異常條件產(chǎn)生的，比如缺頁(yè)異常，內(nèi)核執(zhí)行恢復(fù)異常的所有步驟。

　　2、異步中斷，通常我們就叫中斷。由其他硬件設(shè)備按照CPU時(shí)鐘信號(hào)隨機(jī)產(chǎn)生。

　　中斷處理程序的一般步驟：

　　一個(gè)中斷處理程序的幾個(gè)中斷服務(wù)例程之間是串行執(zhí)行的，并且在一個(gè)中斷處理程序結(jié)束前，不應(yīng)該再次出現(xiàn)這個(gè)中斷，所以一般中斷處理程序是先禁止該中斷，然后處理中斷，處理完成后在使能該中斷。

　　有一些中斷是可以延遲處理的，這種可延遲中斷可以在開(kāi)中斷的情況下執(zhí)行，執(zhí)行時(shí)允許其他中斷搶占他。把可延遲中斷從中斷處理程序中抽出來(lái)有助于使內(nèi)核保持較短的響應(yīng)時(shí)間。

　　Linux內(nèi)核使用三種方法來(lái)處理這種可延遲的中斷任務(wù)：可延遲函數(shù)（軟中斷和tasklets）以及工作隊(duì)列。工作隊(duì)列是工作在進(jìn)程上下文中，可以睡眠，軟中斷和tasklets 是工作在中斷上下文，不可以睡眠。本節(jié)只討論軟中斷和tasklets。

　　軟中斷：

　　Linux 2.6 版本使用如下幾個(gè)軟中斷，不同版本之間略有差異。但一下幾個(gè)不同版本都包含。

　　HI_SOFTIRQ=0， 處理高優(yōu)先級(jí)的tasklet

　　TIMER_SOFTIRQ， 時(shí)鐘中斷相關(guān)的tasklet.

　　NET_TX_SOFTIRQ， 內(nèi)核把數(shù)據(jù)報(bào)文傳送給網(wǎng)卡。

　　NET_RX_SOFTIRQ， 內(nèi)核從網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)報(bào)文。

　　TASKLET_SOFTIRQ， 處理常規(guī)tasklet。

　　低下標(biāo)代表高優(yōu)先級(jí)。

　　內(nèi)核中定義了softirq_vec數(shù)組來(lái)存放各種軟中斷。定義如下：

　　static struct softirq_action softirq_vec［32］__cacheline_aligned_in_smp;

　　數(shù)組元素為 softirq_action，一個(gè)元素代碼一個(gè)軟中斷。不同的軟中斷號(hào)對(duì)應(yīng)不同的數(shù)組的下標(biāo)。

　　struct softirq_action

　　{

　　void （*action）（struct softirq_action *）; //軟中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行軟中斷的處理函數(shù)。

　　void *data; //軟中斷的處理函數(shù)的參數(shù)指針。

　　};

　　初始化軟中斷時(shí)調(diào)用函數(shù) open_softirq（）。如下代碼。

　　void open_softirq（int nr， void （*action）（struct softirq_action*），void *data）

　　{

　　softirq_vec［nr］.data = data;

　　softirq_vec［nr］.action = action;

　　}

　　另外一個(gè)跟軟中斷相關(guān)的關(guān)鍵字段是 32 位的 preempt_counte字段，用它來(lái)跟蹤內(nèi)核搶占和內(nèi)核控制路徑的嵌套，該字段放在每個(gè)進(jìn)程描述符的 thread_info 字段中。用函數(shù)preempt_count（）來(lái)返回該字段的值。

　　preempt_count字段

　　位描述

　　0~7搶占計(jì)數(shù)器，記錄顯示禁用本地cpu內(nèi)核搶占的次數(shù)，值為0時(shí)代表內(nèi)核允許搶占。

　　8~15軟中斷計(jì)數(shù)器。記錄軟中斷被禁用的次數(shù)，0表示軟中斷被激活。

　　16~27硬中斷計(jì)數(shù)器。記錄硬中斷嵌套的層數(shù)。irq_entry（）增加它的值，irq_exit（）遞減它的值。

　　28

　　當(dāng)內(nèi)核明確不允許發(fā)生搶占或內(nèi)核正在中斷上下文中運(yùn)行時(shí)，必須禁止內(nèi)核的搶占功能。為了確定當(dāng)前進(jìn)程是否能夠被搶占，內(nèi)核快速檢查preempt_counte字段是否等于零。

　　另一個(gè)跟軟中斷相關(guān)的字段是每個(gè)CPU都有一個(gè)32位掩碼的字段

　　typedef struct {

　　unsigned int __softirq_pending;

　　} ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;

　　他描述掛起的軟中斷。每一位對(duì)應(yīng)相應(yīng)的軟中斷。比如0位代表HI_SOFTIRQ.

　　宏local_softirq_pending（）來(lái)獲取該字段的值。

　　使用函數(shù)raise_softirq（）來(lái)激活軟中斷。即把響應(yīng)的軟中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的__softirq_pending中的位置1.表示該軟中斷被掛起。如果當(dāng)前CPU不在中斷上下文中，喚醒內(nèi)核線(xiàn)程ksoftirqd來(lái)檢查被掛起的軟中斷，然后執(zhí)行相應(yīng)軟中斷處理函數(shù)。

　　內(nèi)核在如下幾個(gè)點(diǎn)上檢查被掛起的軟中斷：

　　1、當(dāng)調(diào)用local_bh_enable（）函數(shù)激活本地CPU的軟中斷時(shí)。條件滿(mǎn)足就調(diào)用do_softirq（） 來(lái)處理軟中斷。

　　2、當(dāng)do_IRQ（）完成硬中斷處理時(shí)調(diào)用irq_exit（）時(shí)調(diào)用do_softirq（）來(lái)處理軟中斷。

　　3、當(dāng)一個(gè)特殊內(nèi)核線(xiàn)程ksoftirq/n被喚醒時(shí)，處理軟中斷。

　　軟中斷處理函數(shù)詳解：

　　點(diǎn)擊（此處）折疊或打開(kāi)asmlinkage void do_softirq（void）

　　{

　　__u32 pending;

　　unsigned long flags;

　　/*如果當(dāng)前處于硬中斷中，在硬中斷處理函數(shù)退出時(shí)會(huì)調(diào)用irq_exit（）函數(shù)來(lái)處理軟中斷，

　　或當(dāng)前軟中斷被禁用。所以in_interrupt（）返回不為1 就沒(méi)必要處理軟中斷，直接返回*/

　　if （in_interrupt（））

　　return;

　　/*保持中斷寄存器的狀態(tài)并禁用本地CPU的中斷*/

　　local_irq_save（flags）;

　　/*取得當(dāng)前cpu上__softirq_pending字段，獲取本地CPU上掛起的軟中斷*/

　　pending = local_softirq_pending（）;

　　/*如果當(dāng)前CPU上有掛起的軟中斷，執(zhí)行__do_softirq（）來(lái)處理軟中斷*/

　　if （pending）

　　{

　　__do_softirq（）;

　　}

　　/*恢復(fù)中斷寄存器的狀態(tài)*/

　　local_irq_restore（flags）;

　　}

　　asmlinkage void __do_softirq（void）

　　{

　　struct softirq_action *h;

　　__u32 pending;

　　int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART; //10

　　int cpu;

　　/*取得當(dāng)前cpu上__softirq_pending字段，獲取本地CPU上掛起的軟中斷*/

　　pending = local_softirq_pending（）;

　　/*debug 用，不討論*/

　　account_system_vtime（current）;

　　/*禁止本地cpu的軟中斷，現(xiàn)在本地cpu上掛起的軟中斷已經(jīng)存入pending臨時(shí)變量中了*/

　　__local_bh_disable（（unsigned long）__builtin_return_address（0））;

　　/*debug 用，不討論*/

　　trace_softirq_enter（）;

　　/*取本地cpu id 號(hào)*/

　　cpu = smp_processor_id（）;

　　restart：

　　/* Reset the pending bitmask before enabling irqs */

　　/*清空本地cpu的__softirq_pending字段*/

　　set_softirq_pending（0）;

　　/*開(kāi)啟本地cpu的硬中斷*/

　　local_irq_enable（）;

　　/*循環(huán)執(zhí)行被掛起的軟中斷處理函數(shù)。相應(yīng)的軟中斷的處理函數(shù)存在數(shù)組softirq_ver［nr］中的元素 softirq_action-》action中*/

　　h = softirq_vec;

　　do {

　　if （pending & 1） {

　　h-》action（h）;

　　rcu_bh_qsctr_inc（cpu）;

　　}

　　h++;

　　pending 》》= 1;

　　} while （pending）;

　　/*禁止本地CPU的硬中斷*/

　　local_irq_disable（）;

　　/*取本地CPU的__softirq_pending，查看是否還有新的被掛起的軟中斷并且檢查被掛起軟中斷的次數(shù)小于10次，如果條件滿(mǎn)足，

　　繼續(xù)處理新的被掛起的軟中斷*/

　　pending = local_softirq_pending（）;

　　if （pending && --max_restart）

　　goto restart;

　　/*如果有新的掛起的軟中斷并且處理循環(huán)次數(shù)已經(jīng)夠了10次，

　　喚醒ksoftirq內(nèi)核線(xiàn)程來(lái)處理軟中斷*/

　　if （pending）

　　wakeup_softirqd（）;

　　/*debug 用，不討論*/

　　trace_softirq_exit（）;

　　account_system_vtime（current）;

　　/*使能本地CPU的軟中斷*/

　　_local_bh_enable（）;

　　}

　　Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)

　　Linux內(nèi)核由七個(gè)部分構(gòu)成，具體如下圖：

　　a） 系統(tǒng)調(diào)用接口（SCI）：open、read、write等系統(tǒng)調(diào)用

　　b） 進(jìn)程管理（PM）：創(chuàng)建進(jìn)程、刪除進(jìn)程、調(diào)度進(jìn)程等

　　c） 內(nèi)存管理（MM）：內(nèi)存分配、管理等

　　d） 虛擬文件系統(tǒng)（VFS）：為多種文件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的操作接口

　　e） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：提供各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　f） CPU架構(gòu)相關(guān)代碼（Arch）：為的是提高至移植性

　　g） 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（DD）：各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)，占到內(nèi)核的70%左右代碼

　　linux內(nèi)核源碼詳解

　　1. 源碼獲取

　　Linux內(nèi)核獲取有兩種方法，一種是在www.kernel.org 直接獲取，另一種是使用git獲取（具體方法參考網(wǎng)絡(luò)）。

　　2. 源碼目錄簡(jiǎn)介

　　其源碼主要有以下目錄（介紹重要目錄）：

　　a） Arch目錄：存放處理器相關(guān)的代碼。下設(shè)子目錄，分別對(duì)應(yīng)具體的CPU，每個(gè)子目錄有boot，mm，以及kernel三個(gè)子目錄，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)引導(dǎo)以及存儲(chǔ)管理，和系統(tǒng)調(diào)用

　　b） Include目錄：內(nèi)核所需要的大部分頭文件目錄。與平臺(tái)無(wú)關(guān)的在include/linux子目錄下，與平臺(tái)相關(guān)的則放在include相應(yīng)的子目錄中。

　　c） fs目錄：存放各種文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)代碼。

　　d） init目錄：init子目錄包含核心的初始化代碼（不是系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼）。其包含兩個(gè)文件main.c和version.c，可以用來(lái)研究核心如何工作。

　　e） ipc目錄：包含核心進(jìn)程間的通信代碼。

　　f） kernel目錄：包含內(nèi)核管理的核心代碼。與硬件相關(guān)代碼放在arch/*/kernel目錄下。

　　g） mm目錄：包含了所有的內(nèi)存管理代碼。與硬件相關(guān)的內(nèi)存管理代碼位于arch/*/mm目錄下。

　　h） scripts目錄：包含用于配置核心的腳本文件。

　　i） lib目錄：包含了核心的庫(kù)代碼，與硬件相關(guān)的庫(kù)代碼被放在arch/*/lib/目錄下