浅析Linux的软中断的实现

430阅读　0评论2013-04-23　puppypyb
分类：嵌入式

转自：
浅析Linux的软中断的实现



作者：独孤九贱
平台：2.6.31.13 + x86 32位
供仅讨论学习之处，不对错误之处负责，转载请注明出处。

1、软中断

软中断的原理就略过了，讲内核的书上都有，此处省略1500字。。。。。。

1.1 注册
还是以我最熟悉的两个老朋友做为开篇：

        open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
        open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

open_softirq向内核注册一个软中断，其实质是设置软中断向量表相应槽位，注册其处理函数：


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  1. void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
  2. {
  3.         softirq_vec[nr].action = action;
  4. }

softirq_vec是整个软中断的向量表:

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  1. struct softirq_action
  2. {
  3.         void (*action)(struct softirq_action *);
  4. };

  6. static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

NR_SOFTIRQS是最大软中断向量数，内核支持的所有软中断如下：

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  1. enum
  2. {
  3.         HI_SOFTIRQ=0,
  4.         TIMER_SOFTIRQ,
  5.         NET_TX_SOFTIRQ,
  6.         NET_RX_SOFTIRQ,
  7.         BLOCK_SOFTIRQ,
  8.         TASKLET_SOFTIRQ,
  9.         SCHED_SOFTIRQ,
  10.         HRTIMER_SOFTIRQ,
  11.         RCU_SOFTIRQ, /* Preferable RCU should always be the last softirq */

  13.         NR_SOFTIRQS
  14. };
好像后为为RPS新增了一个，不过这我的内核版本偏低。

1.2 激活 

当需要调用软中断时，需要调用raise_softirq函数激活软中断，这里使用术语“激活”而非“调用”，
是因为在很多情况下不能直接调用软中断。所以只能快速地将其标志为“可执行”，等待未来某一时刻调用。
为什么“在很多情况下不能直接调用软中断”?试想一下下半部引入的理念，就是为了让上半部更快地执行。
如果在中断程序代码中直接调用软中断函数，那么就失去了上半部与下半部的区别，也就是失去了其存在的意义。

内核使用一个名为__softirq_pending的位图来描述软中断，每一个位对应一个软中断,位图包含在结构irq_stat中：

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  1. typedef struct {
  2.         unsigned int __softirq_pending;
  3.         ……
  4. } ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;

  6. DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(irq_cpustat_t, irq_stat);

宏or_softirq_pending用于设置相应的位（位或操作）：

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  1. #define or_softirq_pending(x) percpu_or(irq_stat.__softirq_pending, (x))
local_softirq_pending用于取得整个位图（而非某一位）：

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  1. #define local_softirq_pending() percpu_read(irq_stat.__softirq_pending)
宏__raise_softirq_irqoff是or_softirq_pending的包裹：

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  1. #define __raise_softirq_irqoff(nr) do { or_softirq_pending(1UL << (nr)); } while (0)
raise_softirq_irqoff通过调用__raise_softirq_irqoff实现激活软中断，它的参数nr即位软中断对应的位图槽位：

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  1. /*
  2.  * This function must run with irqs
  3.  */
  4. inline void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
  5. {
  6.         //置位图，即标记为可执行状态
  7.         __raise_softirq_irqoff(nr);

  9.         /*
  10.          * If we're in an interrupt or softirq, we're done
  11.          * (this also catches softirq-disabled code). We will
  12.          * actually run the softirq once we return from
  13.          * the irq or softirq.
  14.          *
  15.          * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we
  16.          * schedule the softirq soon.
  17.          */
  18.         //设置了位图后，可以判断是否已经没有在中断上下文中了，如果没有，则是一个立即调用软中断的好时机。
  19.         //in_interrupt另一个作用是判断软中断是否被禁用。
  20.         //wakeup_softirqd唤醒软中断的守护进程ksoftirq。
  21.         if (!in_interrupt())
  22.                 wakeup_softirqd();
  23. }
现在可以来看"激活"软中断的所有含义了，raise_softirq函数完成这一操作

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  1. void raise_softirq(unsigned int nr)
  2. {
  3.         unsigned long flags;

  5.         //所有操作，应该关闭中断，避免嵌套调用
  6.         local_irq_save(flags);
  7.         raise_softirq_irqoff(nr);
  8.         local_irq_restore(flags);
  9. }
可见，激活的操作，主要是两点：
<1>、最重要的，就是置相应的位图，等待将来被处理；
<2>、如果此时已经没有在中断上下文中，则立即调用(其实是内核线程的唤醒操作)，现在就是将来；

2、调度时机
是的，除了raise_softirq在，可能会（嗯，重要的是“可能”）通过wakeup_softirqd唤醒ksoftirqd外，还得明白软中断的其它调用时机。

A、当do_IRQ完成了I/O中断时调用irq_exit:

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  1. #ifdef __ARCH_IRQ_EXIT_IRQS_DISABLED
  2. # define invoke_softirq() __do_softirq()
  3. #else
  4. # define invoke_softirq() do_softirq()
  5. #endif

  7. void irq_exit(void)
  8. {
  9.         account_system_vtime(current);
  10.         trace_hardirq_exit();
  11.         sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET);
  12.         if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
  13.                 invoke_softirq(); //调用软中断
B、如果系统使用I/O APIC，在处理完本地时钟中断时：

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  1. void __irq_entry smp_apic_timer_interrupt(struct pt_regs *regs)
  2. {
  3.         ……
  4.         irq_exit();
  5.         ……
  6. }
C、local_bh_enable
local_bh_enable就是打开下半部，当然重中之中就是软中断了：

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  1. void local_bh_enable(void)
  2. {
  3.         _local_bh_enable_ip((unsigned long)__builtin_return_address(0));
  4. }

  6. static inline void _local_bh_enable_ip(unsigned long ip)
  7. {
  8.         ……

  10.         if (unlikely(!in_interrupt() && local_softirq_pending()))
  11.                 do_softirq();

  13.         ……
  14. }
D、在SMP中，当CPU处理完被CALL_FUNCTION_VECTOR处理器间中断所触发的函数时：
唔，对多核中CPU的之间的通信不熟，不太清楚这个机制…… 

3、do_softirq

不论是哪种调用方式，最终都会触发到软中断的核心处理函数do_softirq，它处理当前CPU上的所有软中断。
内核将软中断设计尽量与平台无关，但是在某些情况下，它们还是会有差异，先来看一个x86 32位的do_softirq版本：

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  1. asmlinkage void do_softirq(void)
  2. {
  3.         unsigned long flags;
  4.         struct thread_info *curctx;
  5.         union irq_ctx *irqctx;
  6.         u32 *isp;

  8.         //软中断不能在中断上下文内嵌套调用。中断处理程序或下半部采用的是"激活"方式。
  9.         if (in_interrupt())
  10.                 return;

  12.         //禁止中断，保存中断标志
  13.         local_irq_save(flags);
  14.         //内核使用一个CPU位图，确实几个软中断可以同时在不同的CPU上运行，包括相同的软中断。例如，
  15.         //NET_RX_SOFTIRQ可以同时跑在多个处理器上。
  16.         //local_softirq_pending用于确定当前CPU的所有位图是否被设置。即是否有软中断等待处理。
  17.         //回想一下经常发生的网卡接收数据处理：当网卡中断落在哪一个CPU上时，与之相应的软中断函数就会在其上执行。
  18.         //从这里来看，实质就是哪个网卡中断落在相应的CPU上，CPU置其软中断位图，这里做相应的检测（这里local_softirq_pending只
  19.         //是一个总的判断，后面还有按位的判断），检测到有相应的位，执行之
  20.         if (local_softirq_pending()) {
  21.                 //取得线程描述符
  22.                 curctx = current_thread_info();
  23.                 //构造中断上下文结构，softirq_ctx是每个CPU的软中断上下文
  24.                 //static DEFINE_PER_CPU(union irq_ctx *, softirq_ctx);
  25.                 //这里先取得当前CPU的软中断上下文，然后为其赋初始值——保存当前进程和栈指针
  26.                 irqctx = __get_cpu_var(softirq_ctx);
  27.                 irqctx->tinfo.task = curctx->task;
  28.                 irqctx->tinfo.previous_esp = current_stack_pointer;

  30.                 /* build the stack frame on the softirq stack */
  31.                 //构造中断栈帧
  32.                 isp = (u32 *) ((char *)irqctx + sizeof(*irqctx));

  34.                 //call_on_stack切换内核栈，并在中断上下文上执行函数__do_softirq
  35.                 call_on_stack(__do_softirq, isp);
  36.                 /*
  37.                  * Shouldnt happen, we returned above if in_interrupt():
  38.                  */
  39.                 WARN_ON_ONCE(softirq_count());
  40.         }

  42.         //恢复之
  43.         local_irq_restore(flags);
  44. }
当配置了CONFIG_4KSTACKS，每个进程的thread_union只有4K，而非8K。发生中断时，内核栈将不使用进程的内核栈，而使用每个 cpu的中断请求栈。
内核栈将使用每个 cpu的中断请求栈，而非进程的内核栈来执行软中断函数：

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  1. static void call_on_stack(void *func, void *stack)
  2. {
  3.         asm volatile("xchgl %%ebx,%%esp \n" //交换栈指针，中断栈帧的指针stack做为传入参数（%ebx），交换后esp是irq_ctx的栈顶，ebx是进程内核栈的栈
  4.                      "call *%%edi \n" //调用软中断函数
  5.                      "movl %%ebx,%%esp \n" //恢复之，直接使用movl，而非xchgl是因为函数执行完毕，中断的栈帧指针已经没有用处了
  6.                      : "=b" (stack)
  7.                      : "0" (stack),
  8.                        "D"(func)
  9.                      : "memory", "cc", "edx", "ecx", "eax");
  10. }
PS：所有的这些执行，应该都是在定义4K栈的基础上的：

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  1. #ifdef CONFIG_4KSTACKS
  2. /*
  3.  * per-CPU IRQ handling contexts (thread information and stack)
  4.  */
  5. union irq_ctx {
  6.         struct thread_info tinfo;
  7.         u32 stack[THREAD_SIZE/sizeof(u32)];
  8. } __attribute__((aligned(PAGE_SIZE)));

  10. static DEFINE_PER_CPU(union irq_ctx *, hardirq_ctx);
  11. static DEFINE_PER_CPU(union irq_ctx *, softirq_ctx);
  12. ……

  14. static void call_on_stack(void *func, void *stack)
  15. ……
是的，这个版本相对复杂，但是如果看了复杂的，再来看简单的，就容易多了,当平台没有定义do_softirq函数时(__ARCH_HAS_DO_SOFTIRQ)，
内核提供了一个通用的：

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  1. #ifndef __ARCH_HAS_DO_SOFTIRQ

  3. asmlinkage void do_softirq(void)
  4. {
  5.         __u32 pending;
  6.         unsigned long flags;

  8.         if (in_interrupt())
  9.                 return;

  11.         local_irq_save(flags);

  13.         pending = local_softirq_pending();

  15.         if (pending)
  16.                 __do_softirq();

  18.         local_irq_restore(flags);
  19. }

  21. #endif
无需更多的解释，它非常的简洁。

不论是哪个版本，都将调用__do_softirq函数：

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  1. asmlinkage void __do_softirq(void)
  2. {
  3.         struct softirq_action *h;
  4.         __u32 pending;
  5.         int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
  6.         int cpu;

  8.         //保存位图
  9.         pending = local_softirq_pending();
  10.         //进程记帐
  11.         account_system_vtime(current);

  13.         //关闭本地CPU下半部。为了保证同一个CPU上的软中断以串行方式执行。
  14.         __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0));
  15.         lockdep_softirq_enter();

  17.         //获取本地CPU
  18.         cpu = smp_processor_id();
  19. restart:
  20.         /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
  21.         //清除位图
  22.         set_softirq_pending(0);

  24.         //锁中断，只是为了保持位图的互斥，位图处理完毕。后面的代码可以直接使用保存的pending，
  25.         //而中断处理程序在激活的时候，也可以放心地使用irq_stat.__softirq_pending。
  26.         //所以，可以开中断了
  27.         local_irq_enable();

  29.         //取得软中断向量
  30.         h = softirq_vec;

  32.         //循环处理所有的软中断
  33.         do {
  34.                 //逐步取位图的每一位，判断该位上是否有软中断被设置。若有，处理之
  35.                 if (pending & 1) {
  36.                         //保存抢占计数器
  37.                         int prev_count = preempt_count();
  38.                         kstat_incr_softirqs_this_cpu(h - softirq_vec);

  40.                         trace_softirq_entry(h, softirq_vec);
  41.                         //调用软中断
  42.                         h->action(h);
  43.                         trace_softirq_exit(h, softirq_vec);
  44.                         //判断软中断是否被抢占，如果是，则输出一段错误信息
  45.                         if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
  46.                                 printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %td %s %p"
  47.                                        "with preempt_count %08x,"
  48.                                        " exited with %08x?\n", h - softirq_vec,
  49.                                        softirq_to_name[h - softirq_vec],
  50.                                        h->action, prev_count, preempt_count());
  51.                                 preempt_count() = prev_count;
  52.                         }
  53.                         //？？qsctr,这个是啥东东
  54.                         rcu_bh_qsctr_inc(cpu);
  55.                 }
  56.                 //指向下一个软中断槽位
  57.                 h++;
  58.                 //移位，取下一个软中断位
  59.                 pending >>= 1;
  60.         } while (pending);

  62.         //当软中断处理完毕后，因为前面已经开了中断了，所以有可能新的软中断已经又被设置，
  63.         //软中断调度程序会尝试重新软中断，其最大重启次数由max_restart决定。
  64.         //所以，这里必须再次关闭中断，再来一次……
  65.         local_irq_disable();

  67.         //取位图
  68.         pending = local_softirq_pending();
  69.         //有软中断被设置，且没有超过最大重启次数，再来一次先
  70.         if (pending && --max_restart)
  71.                 goto restart;

  73.         //超过最大重启次数，还有软中断待处理，调用wakeup_softirqd。其任处是唤醒软中断守护进程ksoftirqd。
  74.         if (pending)
  75.                 wakeup_softirqd();

  77.         lockdep_softirq_exit();

  79.         account_system_vtime(current);
  80.         //恢复下半部
  81.         _local_bh_enable();
  82. }
中断跟踪
如果中断跟踪CONFIG_TRACE_IRQFLAGS被定义，lockdep_softirq_enter/lockdep_softirq_exit用于递增/递减当前进程的软中断上下文计数器softirq_context：

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  1. # define lockdep_softirq_enter() do { current->softirq_context++; } while (0)
  2. # define lockdep_softirq_exit() do { current->softirq_context--; } while (0)
trace_softirq_entry与trace_softirq_exit配合使用，可以用于判断软中断的延迟。

好像软中断不太难，没有更多的内容了。欢迎大家回贴补充

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