从本质上来讲,中断是一种电信号,当设备有某种事件发生时,它就会产生中断,通过总线把电信号发送给中断控制器。
如果中断的线是激活的,中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事,跳到中断处理程序的入口点,进行中断处理。
(1) 硬中断
由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。比如当网卡收到数据包的时候,就会发出一个中断。我们通常所说的中断指的是硬中断(hardirq)。
(2) 软中断
为了满足实时系统的要求,中断处理应该是越快越好。linux为了实现这个特点,当中断发生的时候,硬中断处理那些短时间就可以完成的工作,而将那些处理事件比较长的工作,放到中断之后来完成,也就是软中断(softirq)来完成。
(3) 中断嵌套
Linux下硬中断是可以嵌套的,但是没有优先级的概念,也就是说任何一个新的中断都可以打断正在执行的中断,但同种中断除外。软中断不能嵌套,但相同类型的软中断可以在不同CPU上并行执行。
(4) 软中断指令
int是软中断指令。
中断向量表是中断号和中断处理函数地址的对应表。
int n - 触发软中断n。相应的中断处理函数的地址为:中断向量表地址 + 4 n。
(5)硬中断和软中断的区别
*软中断是执行中断指令产生的,而硬中断是由外设引发的。
硬中断的中断号是由中断控制器提供的,软中断的中断号由指令直接指出,无需使用中断控制器。
硬中断是可屏蔽的,软中断不可屏蔽。
硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务,这样程序执行时才不会等待较长时间,称为上半部。
软中断处理硬中断未完成的工作,是一种推后执行的机制,属于下半部。
ksoftirqd内核线程
内核不会立即处理重新触发的软中断,当大量软中断出现的时候,内核会唤醒一组内核线程来处理。
这些线程的优先级最低(nice值为19),这能避免它们跟其它重要的任务抢夺资源。
但它们最终肯定会被执行,所以这个折中的方案能够保证在软中断很多时用户程序不会因为得不到处理时间而处于饥饿状态,同时也保证过量的软中断最终会得到处理。
每个处理器都有一个这样的线程,名字为ksoftirqd/n,n为处理器的编号。
每个处理器都有一组辅助处理器软中断(和tasklet)的内核线程。当内核中出现大量软中断的时候,这些内核进程就会辅助处理它们。
引入ksoftirq内核线程的原因:
对于软中断,内核会选择在几个特殊时机进行处理。而在中断处理程序返回时处理是最常见的。软中断被触发的频率有时可能很高,更不利的是,处理函数有时还会 字形重复触发,那么就会导致用户空间进程无法获得足够的处理时间,因而处于饥饿状态。单纯的对重新触发的软中断采取不立即处理的策略,也无法让人接受。
最初的解决方案:
1)只要还有被触发并等待处理的软中断,本次执行就要负责处理,重新触发的软中断也在本次执行返回前被处理。这样做可以保证对内核的软中断采取即时处理的 方式,关键在于,对重新触发的软中断也会立即处理。当负载很高的时候,此时若有大量被触发的软中断,而它们本身又会重复触发。系统可能会一直处理软中断根 本不能完成其他任务。
2)不处理重新触发的软中断。在从中断返回的时候,内核和平常一样,也会检查所有挂起的软中断并处理他们。但是,任何自行重新触发的软中断不会马上处理, 它们被放到下一个软中断执行时机去处理。而这个时机通常也就是下一次中断返回的时候。可是,在比较空闲的系统中,立即处理软中断才是比较好的做法。尽管它 能保证用户空间不处于饥饿状态,但它却让软中断忍受饥饿的痛苦,而根本没有好好利用闲置的系统资源。
改进:
最终在内核中实现的方案是不会立即处理处理重新触发的软中断。而作为改进,当大量软中断出现的时候,内核会唤醒一组内核线程来处理这些负载。这些线程在最 低的优先级上运行(nice值是19),这能避免它们跟其他重要的任务抢夺资源。但它们最终肯定会被执行,所以这个折中方案能够保证在软中断负担很中的时 候用户程序不会因为得不到处理时间处于饥饿状态。相应的,也能保证”过量“的软中断终究会得到处理。
每个处理器都有一个这样的线程。所有线程的名字都叫做ksoftirq/n,区别在于n,它对应的是处理器的编号。在一个双CPU的机器上就有两个这样的 线程,分别叫做ksoftirqd/0和ksoftirqd/1。为了保证只要有空闲的处理器,它们就会处理软中断,所以给每个处理器都分配一个这样的线 程。
只要有待处理的软中断(由softirq_pending()函数负责发现),ksoftirq就会调用do_softirq去处理它们。通过重复执行这 样的操作,重新触发的软中断也会被执行。如果有必要,每次迭代后都会调用schedule()以便让更重要的进程得到处理机会。当所有需要执行的操作都完 成以后,该内核线程将自己设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态,唤起调度程序选择其他可执行进程投入运行。
只要do_softirq()函数发现已经执行过的内核线程重新触发了它自己,软中断内核线程就会被唤醒。