Linux x86_64內核中斷初始化

中斷分類

Linux系統中，中斷分為：

• 硬中斷：由外部設備或者執行異常產生的需要快速處理的中斷。如缺頁中斷、定時器硬件中斷。

  根據內部產生還是外部產生，分為：

  1. 異常：異常是內部產生的中斷，不可屏蔽。
  2. 外部中斷：外部中斷是由外部設備產生的，可以屏蔽。

• 軟中斷：

  ​ 軟中斷是Linux系統中斷處理的底半處理部分，是Linux模擬的中斷。為了加快硬件中斷的處理，防止數據的丟失，Linux對中斷處理分為頂半處理和底半處理兩部分，頂半處理程序快速處理硬件事件，把不是那么緊急的邏輯放到底半處理程序中，可以簡單的認為硬終端處理程序為頂半處理程序，軟中斷處理程序為底半處理程序。軟中斷一般在硬中斷處理程序執行后才會執行。但是當硬中斷嵌套的時候，軟中斷會在所有的硬中斷處理完畢后才會處理，當軟中斷太多，會放到ksoftirqd線程中處理。

內核初始化-中斷

intel處理器有256個硬中斷號。其中前32個中斷號為異常使用，在內核初始化的時候進行初始化。內核初始化的代碼流程如下：
可以看到首先初始化異常處理，再初始化部分外部中斷，再初始化一部分軟中斷處理。

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
	 
	lock_kernel();
	...
     //初始化調度模塊
	sched_init();

	...
	sort_main_extable();
    // 初始化異常處理。
	trap_init();
	...
    // 初始化外部中斷
	init_IRQ();
    ...
	// 初始化定時器模塊，同時，會注冊定時器的軟中斷處理函數。
    init_timers();
    
    // 初始化軟中斷）
	softirq_init();
	time_init();
	...
	// 初始化
	acpi_early_init();
}

異常中斷初始化

異常中斷在內核中稱為trap，異常中斷初始化代碼為

//門初始化。初始化中斷向量表。系統有固定的256個硬件中斷向量。
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();
}

總結如下：

中斷向量號	異常事件	Linux的處理程序
0	除法錯誤	Divide_error
1	調試異常	Debug
2	NMI中斷	Nmi
3	單字節，int 3	Int3
4	溢出	Overflow
5	邊界監測中斷	Bounds
6	無效操作碼	Invalid_op
7	設備不可用	Device_not_available
8	雙重故障	Double_fault
9	協處理器段溢出	Coprocessor_segment_overrun
10	無效TSS	Incalid_tss
11	缺段中斷	Segment_not_present
12	堆棧異常	Stack_segment
13	一般保護異常	General_protection
14	頁異常	Page_fault
15		Spurious_interrupt_bug
16	協處理器出錯	Coprocessor_error
17	對齊檢查中斷	Alignment_check
0x80	系統調用	ia32_syscall
0xf9	內核調試	call_debug

上述中斷處理函數都是匯編語言編寫。一部分匯編直接處理完畢，一部分通過調用C函數幫助處理。
匯編代碼在linux/arch/x86_64/entry.S中，大部分都是調用C函數do_中斷處理函數名處理。
整理如下：

中斷向量號	異常事件	Linux匯編	調用c函數	處理結果
0	除法錯誤	Divide_error	do_divide_error	發送SIGFPE信號
1	調試異常	Debug	do_debug	發送SIGTRAP信號
2	NMI中斷	Nmi	do_nmi
3	單字節，int 3	Int3	do_int3	發送SIGTRAP信號
4	溢出	Overflow	do_overflow	發送SIGSEGV信號
5	邊界監測中斷	Bounds	do_bounds	發送SIGSEGV信號
6	無效操作碼	Invalid_op	do_invalid_op	發送SIGILL信號
7	設備不可用	Device_not_available	math_state_restore	發送SIGSEGV信號
8	雙重故障	Double_fault	do_double_fault
9	協處理器段溢出	Coprocessor_segment_overrun	do_coprocessor_segment_overrun	發送SIGFPE信號
10	無效TSS	Invalid_tss	do_invalid_TSS	發送SIGSEGV信號
11	缺段中斷	Segment_not_present	do_segment_not_present	發送SIGBUS信號
12	堆棧異常	Stack_segment	do_stack_segment
13	一般保護異常	General_protection	do_general_protection
14	頁異常	Page_fault	do_page_fault	處理缺頁中斷
15		Spurious_interrupt_bug	do_spurious_interrupt_bug
16	協處理器出錯	Coprocessor_error	do_coprocessor_error	發送SIGFPE信號
17	對齊檢查中斷	Alignment_check	do_alignment_check	發送SIGBUS信號
0x80	系統調用	ia32_syscall
0xf9	內核調試	call_debug	do_call_debug

外部中斷初始化

中斷控制器硬件APIC分為兩種：本地APIC和全局APIC。本地APIC集成在CPU內部，每個CPU都有一個，用於處理本地中斷請求，CPU可以通過APIC向其他CPU發送中斷，現在主要用於CPU之間的通信（IPI）。全局APIC主要是連接外部設備，用於外部設備的中斷。在內核中斷初始化的時候，會初始化三個與IPI相關中斷。

void __init init_IRQ(void)
{
	int i;
	/**
	* 該函數主要是初始化硬件
	* 1. 初始化本地APIC控制芯片
	* 2. 初始化8259A芯片
	/
	init_ISA_irqs();
	/*
	 * 清空32以后的中斷向量表。（除了系統調用和內核調試用的中斷號）
	 */
	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]);
	}
	}
// 多處理器通信中斷
#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中斷
#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);
}

總結如下：

中斷向量號	中斷名	異常事件	中斷處理函數	調用c函數	處理結果
0xfc	RESCHEDULE_VECTOR	處理器間中斷， 用於cpu之間同學，其他cpu要求重新調度	reschedule_interrupt	smp_reschedule_interrupt	將線程調度標志置為需要重新調度。之后內核檢查標志的時候會重新調度線程
0xfd	INVALIDATE_TLB_VECTOR	處理器間中斷， 用於cpu之間通信，其他cpu要求TLB緩存失效	invalidate_interrupt	smp_invalidate_interrupt	cpu刷新TLB
0xfa	CALL_FUNCTION_VECTOR	處理器間中斷， 用於cpu之間通信，讓另外的cpu調用某個函數	call_function_interrupt	smp_call_function_interrupt	函數數據通過call_data_struct傳送，cpu會調用該函數
0xef	LOCAL_TIMER_VECTOR	APIC定期器中斷	apic_timer_interrupt	smp_apic_timer_interrupt	觸發定時器的軟中斷
0xff	SPURIOUS_APIC_VECTOR	偽中斷	spurious_interrupt	smp_spurious_interrupt	忽略
0xfe	ERROR_APIC_VECTOR	APIC錯誤	error_interrupt	smp_error_interrupt	打印錯誤

0xfa中斷說明：
當cpu需要另一個cpu執行某個函數時，只需要初始化

struct call_data_struct {
	void (*func) (void *info);
	void *info;
	atomic_t started;
	atomic_t finished;
	int wait;
};

的結構體，然后發出一個0xfa中斷即可。

軟中斷初始化

軟中斷初始化分為兩部分：

1. 初始化定時器時，會打開TIMER_SOFTIRQ的軟中斷，並設置中斷處理函數為run_timer_softirq。
2. softirq_init函數執行，會打開TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ，處理函數分別為 tasklet_action和 tasklet_hi_action。

軟中斷的線程處理機制就不說了。