Linux中断底半部机制总结

linux实现底半部的机制主要有tasklet、workqueue、softirq。

1.tasklet

tasklet的使用较为简单，它的执行上下文是软中断，所以在tasklet中不能睡眠，它的执行时机通常是中断顶半部返回的时候。我们只需要定义tasklet及其处理函数，并将两者关联起来即可，例如：

1 void my_tasklet_func(unsigned long); /* 定义一个处理函数 */
2 DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, data); /* 定义一个tasklet结构my_tasklet，与my_tasklet_func(data)函数相关联 */

代码 DECLEARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, data)实现了定义名称为my_tasklet的tasklet，并将其与my_tasklet_func()这个函数绑定，而传入这个函数的参数为data。在需要调度tasklet的时候引用一个tasklet_schedule()函数就能使系统在适当的时候进行调度运行:

tasklet_schedule(&my_tasklet);

使用tasklet作为底半部处理中断的设备驱动程序模板如下：

struct xxx_struct {
　　int xxx_irq;
　　...
　　... 
};

static unsigned long data;

/* 定义 tasklet 和底半部函数并将它们关联 */
DECLARE_TASKLET(xxx_tasklet, xxx_do_tasklet, (unsigned long)&data); 
/*  中断处理底半部 */
void xxx_do_tasklet(unsigned long data)
{
 　　struct xxx_struct *pdata = (void *)*(unsigned long *)data;
 　　...  
}
 
/* 中断处理顶半部 */
irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
　　...
　　data = (unsigned long)dev_id;
　　tasklet_schedule(&xxx_tasklet);
　　...  
}
 
/* 设备驱动模块探测函数 */
static int xxx_probe(struct platform_device *pdev)
{
　　...
　　struct xxx_struct *pdata = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(struct xxx_struct), GFP_KERNEL);
　　if (!pdata) {
　　　　dev_err(&pdev->dev, "Out of memory\n");
　　　　return -ENOMEM; 
　　}　
　　
　　platform_set_drvdata(pdev, pdata);
　　/* 申请中断 */
　　result = request_irq(pdata->xxx_irq, xxx_interrupt, 0, "xxx", pdata);
　　...
　　return IRQ_HANDLED;  
}
 
/* 设备驱动模块remove函数 */
static int xxx_remove(struct platforn_device *pdev)
{
　　struct xxx_struct *pdata = platform_get_drvdata(pdev);
　　...
　　/* 释放中断 */
　　free_irq(pdata->xxx_irq, NULL);
　　... 
}

上述程序在模块加载函数中申请中断，并在模块卸载函数中释放它。对应于xxx_irq的中断处理程序被设置为xxx_interrupt()函数，在这个函数中，tasklet_schedule(&xxx_tasklet)调度被定义的tasklet函数xxx_do_tasklet()在适当的时候执行。

2.工作队列

工作队列的使用方法和tasklet非常相似，但是工作队列的执行上下文是内核线程，因此可以调度和睡眠。下面的代码用于定义一个工作队列和一个底半部执行函数：

struct work_struct my_wq;    /* 定义一个工作队列 */
void my_wq_func(struct work_struct *work); /* 定义一个处理函数 */

通过INIT_WORK()可以初始化这个工作队列并将工作队列与处理函数绑定：

INIT_WORK(&my_wq, my_wq_func); /* 初始化工作队列并将其与处理函数绑定 */

与tasklet_schedule()对应的用于调度工作队列执行的函数为 schedule_work()，如:

schedule_work(&my_wq); /* 调度工作队列执行 */

使用工作队列处理中断底半部的设备驱动程序模板代码如下：

struct xxx_struct {
　　int xxx_irq;
　　struct work_struct xxx_wq; /* 定义工作队列 */
　　...
　　...
};

/* 中断处理底半部 */
void xxx_do_work(struct work_struct *work)
{
　　struct xxx_struct *pdata = container_of(work, struct xxx_struct, xxx_wq);
　　...
}

/* 中断处理顶半部 */
irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
　　struct xxx_struct *pdata = (struct xxx_struct *)dev_id;
　　...
　　schedule_work(&pdata->xxx_wq);
　　...
　　return IRQ_HANDLED;
}

/* 设备驱动模块探测函数 */
int xxx_probe(struct platform_device *pdev)
{
　　...
　　struct xxx_struct *pdata = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(struct xxx_struct ), GFP_KERNEL);

　　/*申请中断*/
　　result = request_irq(pdata->xxx_irq, xxx_interrupt, 0, "xxx", pdata);
　　...
　　/* 初始化工作队列 */
　　INIT_WORK(&pdata->xxx_wq, xxx_do_work);
　　platform_set_drvdata(pdev, pdata);
　　...
}

/* 设备驱动模块remove函数 */
int xxx_remove(struct platform_device *pdev)
{
　　struct xxx_struct *pdata = platform_get_drvdata(pdev);
　　...
　　cancel_work_sync(&pdata->xxx_wq);
　　/* 释放中断 */
　　free_irq(pdata->xxx_irq, NULL);
　　...
}

工作队列早期的实现是在每个CPU核上创建一个worker内核线程，所有在这个核上调度的工作都在该worker线程中执行，其并发性显然差强人意。在linux 2.6.36以后，转而实现了 “Concurrency-managed workqueues”，简称"cmwq"，cmwq会自动维护工作队列的线程池以提高并发性，同时保持了API的向后兼容。

延时工作队列

　　1. 数据结构delayed_work用于处理延迟执行

struct delayed_work {
    struct work_struct work;
    struct timer_list timer;

    /* target workqueue and CPU ->timer uses to queue ->work */
    struct workqueue_struct *wq;
    int cpu;
};

　　2.在工作队列中被调用的函数原形如下

typedef void (*work_func_t)(struct work_struct *work);

　　3. 初始化数据结构

INIT_DELAYED_WORK(struct delayed_work *work, work_func_t func)

　　4. 提交延时任务到工作队列

int schedule_delayed_work(struct delayed_work *work, unsigned long delay);

　　5.删除提交到工作队列的任务

int cancel_delayed_work(strcut delayed_work *work);

　　6. 刷新默认工作队列（常跟cancle_delayed_work一起使用)

void flush_schedlue_work(void);
或者
int cancel_delayed_work_sync(strcut delayed_work *work);

使用延时工作队列处理中断底半部的设备驱动程序模板代码如下：

struct xxx_struct {　　
　　int xxx_irq;
　　struct delayed_work xxx_dwork; /* 定义延时工作队列 */
　　...
　　...
};

/* 中断处理底半部 */
void xxx_do_work(struct work_struct *work)
{
　　struct xxx_struct *pdata = container_of(work, struct xxx_struct, xxx_dwork.work);
　　...
}

/* 中断处理顶半部 */
irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
　　struct xxx_struct *pdata = (struct xxx_struct *)dev_id;
　　...
　　
　　/*
 　　* delay 2000ms
 　　*/
　　schedule_delayed_work(&pdata->xxx_dwork, msesc_to_jiffies(2000)); 
　　...

　　return IRQ_HANDLED;
}

/* 设备驱动模块探测函数 */
int xxx_probe(struct platform_device *pdev)
{
　　...
　　struct xxx_struct *pdata = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(struct xxx_struct ), GFP_KERNEL);

　　/*申请中断*/
　　result = request_irq(pdata->xxx_irq, xxx_interrupt, 0, "xxx", pdata);
　　...
　　/* 初始化工作队列 */
　　INIT_DELAYED_WORK(&pdata->xxx_dwork, xxx_do_work);
　　platform_set_drvdata(pdev, pdata);
　　...
}

/* 设备驱动模块remove函数 */
int xxx_remove(struct platform_device *pdev)
{
　　struct xxx_struct *pdata = platform_get_drvdata(pdev);
　　...
　　cancel_delayed_work(&pdata->xxx_dwork);
　　cancel_delayed_work_sync(&pdata->xxx_dwork);

　　/* 释放中断 */
　　free_irq(pdata->xxx_irq, NULL);
　　...
}

3.软中断

软中断（Softirq）也是一种传统的底半部处理机制，它的执行时机通常是顶半部返回的时候，tasklet是基于软中断实现的，因此也运行于软中断上下文。

在Linux内核中，用softirq_action结构体表征一个软中断，这个结构体包含软中断处理函数指针和传递给该函数的参数。使用open_softirq()函数可以注册软中断对应的处理函数，而raise_softirq()函数可以触发一个软中断。

软中断和tasklet运行于软中断上下文，仍然属于原子上下文的一种，而工作队列则运行于进程上下文。因此，在软中断和tasklet处理函数中不允许睡眠，而在工作队列处理函数中允许睡眠。

local_bh_disable() 和 local_bh_enable() 是内核中用于禁止和使能软中断及tasklet底半部机制的函数。

内核中采用softirq的地方包括 HI_SOFTIRQ、TIMER_SOFTIRQ、NET_TX_SOFTIRQ、NET_RX_SOFTIRQ、SCSI_SOFTIRQ、TASKLET_SOFTIRQ等，一般来说，驱动的编写者不会也不宜直接使用softirq。

硬中断、软中断和信号的区别：

　　硬中断是外部设备对CPU的中断，软中断是中断底半部的一种处理机制，而信号则是由内核（或其他进程）对某个进程的中断。在设计系统调用的场合，人们也常说通过软中断（例ARM为swi）陷入内核，此时软中断的概念是指由软件指令引发的中断，和我们这个地方所说的softirq是两个完全不同的概念，一个是software，一个是soft。

需要特别说明的是，软中断以及基于软中断的tasklet如果在某段时间内大量出现的话，内核会把后续软中断放入 ksoftirqd 内核线程中执行。总的来说，中断优先级高于软中断，软中断优先级又高于任何一个线程。软中断适度线程化，可以缓解高负载情况下系统的响应。