為什么需要中斷？

　　如果讓內核定期對設備進行輪詢，以便處理設備，那會做很多無用功，因為外設的處理速度一般慢于CPU，而CPU不能一直等待外部事件。所以能讓設備在需要內核時主動通知內核，會是一個聰明的方式，這便是中斷。

　　中斷處理程序

　　在響應一個特定中斷時，內核會執行一個函數——中斷處理程序。中斷處理程序與其他內核函數的區別在于，中斷處理程序是被內核調用來響應中斷的，而它們運行于我們稱之為中斷上下文的特殊上下文中。

　　中斷處理程序就是普通的C代碼。特別之處在于中斷處理程序是在中斷上下文中運行的，它的行為受到某些限制：

　　1）不能向用戶空間發送或接受數據

　　2）不能使用可能引起阻塞的函數

　　3）不能使用可能引起調度的函數

　　中斷機制

　　Linux中斷主要分為硬中斷（IRQ）和軟中斷兩類。

　　IRQ主要分為：短類型IRQ和長類型IRQ。短類型IRQ需要很短的時間，在此期間機器的其他部分被鎖定，而且不能發生其他中斷被處理。長類型IRQ需要較長的時間，期間可能發生其他中斷。

　　當用戶程序被來自外部信號中斷后，立即保存現場工作，包括保存返回地址和用戶寄存器等數據，然后查找中斷向量表，找出相應的中斷處理程序。系統將中斷分為三種：捕俘、系統調用和外中斷。捕俘：通過捕俘處理程序入口表查找到用戶編寫的處理程序執行。系統調用：軟中斷，通過系統調用表找到操作系統核心提供的服務例程。外中斷：直接調用核心提供的外中斷處理程序運行。

　　1、硬中斷過程

　　Linux中，若一個硬件想向CPU發送中斷信號，必須首先獲得一個可用的“中斷請求線”（即中斷前必須獲得一個可用的IRQ號），產生一個中斷信號后以電信號發送給中斷控制器（硬件芯片），接著CPU根據中斷控制器的狀態位判定中斷的來源，獲得中斷號，根據中斷號查找中斷向量表，從表中獲得中斷處理函數的地址，然后跳轉到中斷函數入口地址處，執行這個函數。

　　2、中斷處理程序—硬中斷

　　中斷處理程序主要做的工作：

　　a.保護未被硬件保護的一些必須的寄存器

　　b.識別各個中斷源，分析產生中斷的原因

　　c.處理發生的中斷事件

　　d.恢復正常的工作

　　Linux規定中斷處理程序是不可重入的，指的是同一中斷線上不可以再發生新的中斷，因為所有的處理器都將原中斷所在的中斷線已經屏蔽。

　　Linux中同樣規定了同一中斷程序不能夠并行，這樣同一個中斷處理程序不可以被同時調用來處理嵌套的中斷。

　　Linux中將中斷處理程序分為兩部分：上半部和下半部。

　　上半部主要用來處理那些具有嚴格時限要求的任務。上半部可以看做是一個用來“登記 中斷”功能的函數，將中斷例程的下半部掛到下半部執行隊列中。上半部要求執行很快，主要是因為上半部完全屏蔽中斷下執行，即不可中斷。

　　下半部主要用于處理那些可以稍后執行的任務。下半部是可中斷的，當發生其他中斷時，下半部可中斷等待另外一個中斷的上半部執行完畢后再繼續執行。

　　上下半部機制

　　我們期望讓中斷處理程序運行得快，并想讓它完成的工作量多，這兩個目標相互制約，如何解決——上下半部機制。

　　我們把中斷處理切為兩半。中斷處理程序是上半部——接受中斷，他就立即開始執行，但只有做嚴格時限的工作。能夠被允許稍后完成的工作會推遲到下半部去，此后，在合適的時機，下半部會被開終端執行。上半部簡單快速，執行時禁止一些或者全部中斷。下半部稍后執行，而且執行期間可以響應所有的中斷。這種設計可以使系統處于中斷屏蔽狀態的時間盡可能的短，以此來提高系統的響應能力。上半部只有中斷處理程序機制，而下半部的實現有軟中斷實現，tasklet實現和工作隊列實現。

　　我們用網卡來解釋一下這兩半。當網卡接受到數據包時，通知內核，觸發中斷，所謂的上半部就是，及時讀取數據包到內存，防止因為延遲導致丟失，這是很急迫的工作。讀到內存后，對這些數據的處理不再緊迫，此時內核可以去執行中斷前運行的程序，而對網絡數據包的處理則交給下半部處理。

　　上下半部劃分原則

　　1） 如果一個任務對時間非常敏感，將其放在中斷處理程序中執行；

　　2） 如果一個任務和硬件有關，將其放在中斷處理程序中執行；

　　3） 如果一個任務要保證不被其他中斷打斷，將其放在中斷處理程序中執行；

　　4） 其他所有任務，考慮放置在下半部執行。

　　Linux中提供了三種機制來實現下半部機制。

　　（1）軟中斷

　　軟中斷是一組靜態定義的下半部結構，使用數組來組織軟中斷結構體，共有32個。兩個相同的軟中斷可以同時執行，必須在編譯期間進行靜態注冊。

　　軟中斷機制一般都保留給系統中對時間要求最嚴格以及重要的下半部來使用。Linux2.6中只有兩個子系統是通過軟中斷來實現的：網絡子系統和SCSI。

　　（2）tasklet

　　tasklet要比軟中斷機制方便且簡單，而且它本身也是基于軟中斷實現，屬于軟中斷，既可以靜態的創建tasklet，也可以動態的創建tasklet。

　　Linux中tasklet分為兩類：HI_SOFTIRQ和TASKLET_IRQ，前者比后者的優先級要高，優先調用前者。在中斷數組irq_desc［］中會分配兩項給tasklet，即兩種類型各占數組中一項。兩者分別以一個鏈表來組織。

　　（3）工作隊列

　　（work queue）工作隊列與前兩者最大的不同之處是它是唯一一個能在進程上下文中運行的下半部機制，意味著它能允許睡眠。

　　工作隊列的實質是將推后的工作交給一個內核線程來完成，核心思想即時創建一個內核線程，Linux中已經默認提供了一種命名為enents一類工作者線程來實現工作隊列。

　　Linux軟中斷和工作隊列的作用是什么

　　Linux中的軟中斷和工作隊列是中斷上下部機制中的下半部實現機制。

　　1.軟中斷一般是“可延遲函數”的總稱，它不能睡眠，不能阻塞，它處于中斷上下文，不能進城切換，軟中斷不能被自己打斷，只能被硬件中斷打斷（上半部），可以并發的運行在多個CPU上。所以軟中斷必須設計成可重入的函數，因此也需要自旋鎖來保護其數據結構。

　　2.工作隊列中的函數處在進程上下文中，它可以睡眠，也能被阻塞，能夠在不同的進程間切換，以完成不同的工作。

　　可延遲函數和工作隊列都不能訪問用戶的進程空間，可延時函數在執行時不可能有任何正在運行的進程，工作隊列的函數有內核進程執行，他不能訪問用戶空間地址。中斷的數據結構

　　Linux內核中定義了一個數組irq_desc［］數組來管理中斷。數組中的每一項對應一個中斷源。數組中的每個成員都為irq_desc_t結構體，即數組中的每一項對應著中斷向量表中的一項。

　　中斷的數據結構

　　Linux內核中定義了一個數組irq_desc［］數組來管理中斷。數組中的每一項對應一個中斷源。數組中的每個成員都為irq_desc_t結構體，即數組中的每一項對應著中斷向量表中的一項。

　　（1）irq_desc_t結構體

　　irq_desc_t結構體用來描述中斷源。其中結構體中的handler指向hw_interrupt_type結構體的指針，action變量指向由irqaction結構體組成的單向鏈表的頭的指針。

　　（2）irqaction結構體

　　該結構體中指明內核接收到特定IRQ后該才去的動作。結構體中變量handler指向中斷處理程序。

　　（3）hw_interrupt_type結構體

　　用來描述中斷控制器，是一個抽象的中斷控制器。

　　中斷上下文

　　當一個中斷處理程序正在執行時，內核處于中斷上下文中。中斷上下文是不可以睡眠的。與進程上下文是不同的，進程上下文即使睡眠了也可以重新調度將其喚醒，中斷上下文不可以被重新調度。 中斷處理程序沒有自己的堆棧，它會共享被它中斷的那個進程的堆棧，如果沒有進程正在執行，則占用idle進程的堆棧（每個處理器都有自己的運行隊列，隊列中都有idle進程，當前運行隊列都dequeue時則運行idle進程）

　　Linux中斷編程

　　中斷申請（申請IRQ）-----request_irq（）

　　釋放IRQ------free_irq（）

　　使能和屏蔽IRQ

　　disable_irq（） disable_irq_nosync（） enable_irq（）

　　底半部機制：Linux實現底半部機制主要方式有 tasklet 工作隊列 軟中斷