Linux 中断子系统(三)：中断处理知识点大全

在 linux 中，中断相关的节点和处理机制是系统管理中非常关键的一部分。以下是对这些节点和机制的详细说明：

/proc/interrupts

cat 这个节点会打印出系统中所有的中断信息。如果系统是多核 CPU，每个核的中断信息都会显示出来。具体信息包括：

• 中断的名字
• 中断号（IRQ number）
• 每个中断的触发次数
• 在哪个 CPU 核上处理的
• 中断是边沿触发还是电平触发
• 所属的中断控制器

/proc/irq/...

进入这个目录，你会看到以中断号命名的文件夹。每个中断号文件夹下包含几个节点，存储了该中断的相关信息，例如：

• smp_affinity
• affinity_hint
• spurious

其中，smp_affinity 表示中断号与 CPU 之间的亲缘绑定关系。如果某个中断号绑定到一个特定的 CPU 核，那么这个中断就会一直在这个 CPU 上处理。

SMP IRQ Affinity

在 Linux 内核 2.4 及以后的版本中，支持将不同的硬件中断请求（IRQs）分配到特定的 CPU 上，这种绑定技术被称为 SMP IRQ Affinity。更多详细信息可以参考 Linux 内核源代码中的文档：linux-4.14/Documentation/IRQ-affinity.txt。

/proc/irq/{IRQ}/smp_affinity 和 /proc/irq/{IRQ}/smp_affinity_list

• /proc/irq/{IRQ}/smp_affinity 指定给定的 IRQ 中断号允许哪些 CPU 执行。它是一个掩码位，例如 ff 代表 11111111，表示这个中断可以在 8 个 CPU 上执行，具体在哪个 CPU 执行由分配器决定。
• 如果将 /proc/irq/{IRQ}/smp_affinity 设置为 00000001，则表示这个 IRQ 只能在最后一个 CPU 核上处理，其他 CPU 不允许处理。

手动设置的串口值在重启后会消失，可以通过代码中的 irq_set_affinity 函数，指定中断的掩码，以达到将某个中断固定在某个 CPU 处理的需求。

中断分发机制

对于 GIC-V2 而言，SPI（Shared Peripheral Interrupt）的分发是根据 Distributor 中的 Interrupt Processor Targets Registers 来决定的。对于任何一个 SPI，其在某个 GICD_ITARGETSRn 寄存器中有 8 个 bit 标识送达的 processor。如果只有一个 bit 被 set，那么 Distributor 就会将中断送到对应的 CPU interface，该中断最终会送达指定的 CPU。

如果该中断对应的 Interrupt Processor Targets Registers 中的那 8 个 bit 有多个 bit 被 set，Distributor 不会进行任何判断，而是根据这些 bit 的设定情况，将中断送往指定的一个或多个 processors。

可以参考 gic_set_affinity 函数，该函数确保一个中断的 Interrupt Processor Targets Registers 中的那 8 个 bit 只有一个 bit 被设定。

中断状态机

对于 GIC-V2，中断的状态机由 Distributor 维护，每个中断都有一个状态机：

• Inactive：中断未激活（未发生）。
• Pending：中断到达 GIC，等待 CPU 的处理。
• Active：中断得到 CPU 的应答，中断被 CPU 处理。
• Active and pending：某个中断正在被 CPU 处理，这时候该中断又来了。

示例

一个示例展示了两个外设中断 N 和 M 的处理过程，详细说明了中断状态机的变化和中断优先级的处理。

Linux 抢占机制

GIC 中断控制器支持中断优先级抢占，一个高优先级中断可以抢占一个低优先级且处于 active 状态的中断。GIC 仲裁单元会记录和比较当前优先级最高的 pending 状态，然后去抢占当前中断，并且发送这个最高优先级的中断请求给 CPU。

然而，CPU 不一定响应，因为在中断处理过程中，CPU 处于关中断状态，需要等低优先级中断处理完毕，直到发送 EOI 给 GIC，CPU 才会响应 pending 状态中优先级最高的中断进行处理。

在 Linux 中：

1. 高优先级中断无法抢占正在执行的低优先级中断。
2. 同处于 pending 状态的中断，优先响应高优先级中断进行处理。
3. 同优先级且同是 pending 状态的中断，选择硬件中断号 ID 最小的一个发给 CPU。

Linux 中中断不允许嵌套，以防止中断大量爆发导致栈溢出。

中断与进程

中断可以打断进程的运行，任意一个中断的优先级都比所有的进程高。在中断处理过程中，主要是 GIC 和 CPU 的交互，即使 GIC 支持高优先级中断抢占正在执行的低优先级中断，但 CPU core 可以不处理，因为 Linux 中当 CPU core 执行中断处理时，是关中断和关抢占的状态，不再响应中断信号。

中断不允许休眠

中断上下文中不允许调用 schedule 函数，因为：

1. 如果在中断上下文中调用 schedule，获取的 struct thread_info 数据结构是发生中断时该进程栈信息，而不是中断上下文调用 schedule 时的信息，导致无法返回中断上下文。
2. 中断上下文处于关中断状态，需要发送 EOI 通知 GIC 中断处理结束，如果中途调用 schedule，整个系统的中断都会被屏蔽。

unhandled interrupt 和 spurious interrupt

在中断处理的最后，总会有一段代码来处理未处理中断和虚假中断。Linux 内核有一套复杂的机制来处理这类中断，可以通过命令行参数 noirqdebug 来控制开关该功能。

如果一个中断触发了 100,000 次，但有 99,900 次未被处理，Linux 内核会禁用该中断线。

相关的控制数据在中断描述符中，如下：

struct irq_desc {
    ...
    unsigned int        irq_count;        // 记录发生的中断的次数，每100,000则回滚
    unsigned long        last_unhandled;  // 上一次没有处理的IRQ的时间点
    unsigned int        irqs_unhandled;   // 没有处理的次数
    ...
}

中断的生命周期

中断的生命周期包括从中断触发到处理完成的整个过程，涉及中断的状态变化和处理机制。

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