【ARMv8 异常模型入门及渐进 11 - Linux 中断上下文 irq_enterirq_exit】

news2025/4/8 14:46:40

文章目录

    • 1.1 背景
      • 1.1.1 in_interrupt 定义
      • 1.1.2 irq_count 定义
      • 1.1.3 preempt_count 各域含义
      • 1.1.4 ARMv8 中断处理流程回顾

1.1 背景

在 Linux 代码中经常会看到 WARN_ON(in_interrupt()); 或者 BUG_ON(in_interrupt()); 从名字可以看出这两句的含义是：如果当前处在 中断上下文 那么就会报 错误，并输出错误信息，那么系统时如何判断处当前运行环境是处于中断上下文的的呢？这里就需要跟踪下 in_interrupt 的函数的实现了。

1.1.1 in_interrupt 定义

in_interrupt 的定义位于preempt.h文件中
include/linux/preempt.h

/*
 * Are we doing bottom half or hardware interrupt processing?
 *
 * in_irq()       - We're in (hard) IRQ context
 * in_softirq()   - We have BH disabled, or are processing softirqs
 * in_interrupt() - We're in NMI,IRQ,SoftIRQ context or have BH disabled
 * in_serving_softirq() - We're in softirq context
 * in_nmi()       - We're in NMI context
 * in_task()      - We're in task context
 *
 * Note: due to the BH disabled confusion: in_softirq(),in_interrupt() really
 *       should not be used in new code.
 */
#define in_irq()                (hardirq_count())
#define in_softirq()            (softirq_count())
#define in_interrupt()          (irq_count())
#define in_serving_softirq()    (softirq_count() & SOFTIRQ_OFFSET)
#define in_nmi()                (preempt_count() & NMI_MASK)
#define in_task()               (!(preempt_count() & \
                                   (NMI_MASK | HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_OFFSET)))

注释可以看到 in_interrupt() 的含义是：判断当前进程是否处于当前处于 NMI(不可屏蔽中断) ，IRQ 中断 ， 软中断 或者 软中断被屏蔽 的环境中。

线程被硬件中断打断后，如果希望执行完hardirq后就直接返回原来的线程，而不去执行pending的softirq，那么可以选择“屏蔽”softirq。

由于 in_interrupt 时 irq_count的宏定义， 接下还需要继续跟踪 irq_count 的实现。

1.1.2 irq_count 定义

include/linux/preempt.h

#define hardirq_count() (preempt_count() & HARDIRQ_MASK)
#define softirq_count() (preempt_count() & SOFTIRQ_MASK)
#define irq_count()     (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK \
                                 | NMI_MASK))

從上面的代码中可以看到 irq_count 的值是 preempt_count() “与” 硬中断，软中断，不可屏蔽中断的域获得到的。那么preempt_count 是如何实现的呢？

preempt_count 被定义在进程 struct task_struct 的 thread_info 域中 ，也就是线程描述符中，在内核中可以通过 current_thread_info() 接口来获取进程的 thread_info:

/*
 * low level task data that entry.S needs immediate access to.
 */
struct thread_info {
        unsigned long           flags;          /* low level flags */
        mm_segment_t            addr_limit;     /* address limit */
#ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
        u64                     ttbr0;          /* saved TTBR0_EL1 */
#endif
        int                     preempt_count;  /* 0 => preemptable, <0 => bug */
};

include/asm-generic/preempt.h

static __always_inline int preempt_count(void)
{
        return READ_ONCE(current_thread_info()->preempt_count);
}

從上面 struct thread_info 结构体定义可以看到 preempt_count 是一个 32 位变量，虽然只是一个32位变量，但由于其和中断、调度/抢占密切相关，因此该变量的作用还是十分重要的。

在 arm 中，preempt_count 是 per task 的变量

接下里继续跟踪 preempt_count 的域构成及对应域的含义。

1.1.3 preempt_count 各域含义

Linux 一共把 32bits 的 preempt_count 分成了 3个域，也就是代码中对应的：

  • HARDIRQ_MASK;
  • SOFTIRQ_MASK；
  • PREEMPT_MASK。
    在这里插入图片描述

接下来看看各个域的作用：
HARDIRQ 域：
preempt_count 中的第 16 到 19 个 bit 表示 hardirq count，它记录了进入hardirq/top half 的嵌套次数，此时 hardirq count的值会加 1。如果 hardirq count 的值为正数，说明现在正处于hardirq上下文中。

hardirq count 占据 4 个 bits，理论上可以表示 16 层嵌套，但现在 Linux 系统并不支持hardirq的嵌套执行，所以实际使用的只有 1个bit。

之所以采用4个bits，主要由于两个原因：

  • 一：因为早期 Linux 并不是将中断处理的过程分为top half 和 bottom half，而是将中断分为 fast interrupt handler 和 slow interrupt handler，而 slow interrupt handler 是可以嵌套执行的，
  • 二：某些 driver 代码可能在 top half 中重新使能 hardirq。

SOFTIRQ 域：
preempt_count 中 的第 8 到15 个 bit 表示 softirq count，它记录了进入softirq 的嵌套次数，如果 softirq count 的值为正数，说明现在正处于 softirq上下文中。由于 softirq 在单个CPU上是不会嵌套执行的，因此和 hardirq count一样，实际只需要一个bit(bit 8)就可以了。但这里多出的 7 个 bits 并不是因为历史原因多出来的，而是另有他用。

这个 "他用" 就是表示在进程上下文中，为了防止进程被 softirq 所抢占，关闭/禁止 softirq 的次数，比如每使用一次 local_bh_disable()，softirq count 高 7 个 bits(bit 9到bit 15) 的值就会加 1，使用 local_bh_enable() 则会让 softirq count 高 7 个 bits 的的值减 1。

PREEMPT 域：
在中断上下文中，调度是关闭的，不会发生进程的切换，这属于一种隐式的禁止调度，而在代码中，也可以使用 preempt_disable() 来显示地关闭调度，关闭次数由第 0 到 7 个 bits 组成的 preemption count (注意不是preempt count) 来记录。每使用一次 preempt_disable()，preemption count 的值就会加 1，使用 preempt_enable() 则会让 preemption count 的值减 1。preemption count 占 8 个 bits，因此一共可以表示最多 256 层调度关闭的嵌套。

处于中断上下文，或者显示地禁止了调度，preempt_count() 的值都不为 0，都不允许睡眠/调度的发生，这两种场景被统称为 atomic 上下文，可由 in_atomic() 宏给出判断。

1.1.4 ARMv8 中断处理流程回顾

最后我们再回顾下 ARMv8 中断处理流程，如下：

gic_handle_irq(struct pt_regs *regs)
	-->handle_domain_irq(struct irq_domain *domain, unsigned int hwirq, struct pt_regs *regs)
		--> __handle_domain_irq(struct irq_domain *domain, unsigned int hwirq
			-->irq_enter();  ------------------------------>(1)
			-->generic_handle_irq(irq);
				-->irq = irq_find_mapping(domain, hwirq);        //根据硬件中断号找到对应的软件中断号
					-->struct irq_desc *desc = irq_to_desc(irq); //根据i rq 号找到对应的struct irq_desc
					--> generic_handle_irq_desc(desc);      //进入具体中断处理
			-->irq_exit();--------------------------------->(2)

(1) irq_enter 显式告诉 Linux 内核现在要进入中断上下文了;
(2) 在处理完中断后调用 irq_exit 告诉 Linux 已经完成中断处理过程。

接下来看下 irq_enter 的实现：
linux/kernel/softirq.c

/*
 * Enter an interrupt context.
 */
void irq_enter(void)
{
        rcu_irq_enter();
        if (is_idle_task(current) && !in_interrupt()) {
                /*
                 * Prevent raise_softirq from needlessly waking up ksoftirqd
                 * here, as softirq will be serviced on return from interrupt.
                 */
                local_bh_disable();------->(1)
                tick_irq_enter();
                _local_bh_enable();------->(2)
        }
        __irq_enter();
}

(1) 关闭软中断并将 preempt_count 加1；
(2) 打开软中断并将 preempt_count 减 1。

linux/include/linux/hardirq.h

/*
 * It is safe to do non-atomic ops on ->hardirq_context,
 * because NMI handlers may not preempt and the ops are
 * always balanced, so the interrupted value of ->hardirq_context
 * will always be restored.
 */
#define __irq_enter()                                   \
        do {                                            \
                account_irq_enter_time(current);        \
                preempt_count_add(HARDIRQ_OFFSET);      \ ---->(1)
                trace_hardirq_enter();                  \
        } while (0)

(1) 在硬中断环境中将 preempt_count 加1；

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