Linux/x86中断处理：中断号

1. 架构相关部分（x86）

特别要注意的是，架构无关部分所用的中断号纯粹是个逻辑值，和硬件上所用的中断号没有必然联系！换句话说，只要和架构相关的代码串通好了，我们就完全可以说时钟的中断号是0xbeef，串口的中断号是0xdead，硬盘的中断号是0xbaddad，尽管硬件使用的中断号可能都没超过256。区别起见，以下把架构无关部分用的中断号叫做“逻辑中断号”，硬件使用的中断号（具体到x86上就是用哪个IDT表项）叫做“物理中断号”。对于x86架构来说，物理中断号的范围就是0-255，0号是除0错，14号是缺页等等。

1.1 物理中断号到逻辑中断号的映射

建立物理中断号到逻辑中断号的映射，是架构相关的中断处理例程需要完成的主要任务之一。对于x86_64来说，汇编部分的IDT表项入口是：

ENTRY(irq_entries_start)
        INTR_FRAME
    vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR
    .rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)
        pushq_cfi $(~vector+0x80)    /* Note: always in signed byte range */
    vector=vector+1
        jmp     common_interrupt
        CFI_ADJUST_CFA_OFFSET -8
        .align  8
    .endr
        CFI_ENDPROC
END(irq_entries_start)

C部分的IDT建立是：

for_each_clear_bit_from(i, used_vectors, first_system_vector) {
        /* IA32_SYSCALL_VECTOR could be used in trap_init already. */
        set_intr_gate(i, irq_entries_start +
                        8 * (i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR));
}

FIRST_EXTERNAL_VECTOR是0x20（和Intel手册上的内容一致）。进入中断后的一系列操作包括汇编里的：

common_interrupt:
        XCPT_FRAME
        ASM_CLAC
        addq $-0x80,(%rsp)              /* Adjust vector to [-256,-1] range */
        interrupt do_IRQ

和C里的：

unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs) {
        unsigned vector = ~regs->orig_ax;
        unsigned irq;
		...
		irq = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);

        if (!handle_irq(irq, regs))
		...
}

其中regs->orig_ax就是irq_entries_start里那些IDT入口push到栈上的值。那么，do_IRQ里的vector（记作v’）和IDT入口里的vector（记作v）的关系就应该是：

1	v' = ~((~v + 0x80) + (-0x80)) = v

不就是一样的嘛……

拿到vector之后，接下去还有一个per_cpu的vector_irq，把vector映射成irq，这个才是麻烦的部分，因为对于x86平台上大部分中断，无论是物理中断号还是发给哪个CPU都是可配置的，所以静态没办法决定物理中断号、CPU号和逻辑中断号间的关系，只好弄一个per_cpu的vector_irq，遇到一个存一个。

2. 架构无关部分

在架构无关部分，中断处理的大致流程很直观：handle_irq（架构无关部分的中断处理入口）拿到一个中断号，找先前在这个中断号上注册过的中断处理例程，每个例程调一遍，完事。所谓“在这个中断号上注册”，指的就是以这个中断号为参数，调用request_irq。

数据结构也很直接：一个中断号对应一个irq_desc，irq_desc里面记录了所有先前注册了这个中断号的中断处理例程（irqaction）。irq_desc里的handle_irq是一级的处理入口，由它一边处理一些通用的细节问题（比如边沿/电平触发的分别处理），一边一个一个地调action链表里注册过的例程。irq_chip是对应中断控制器的结构，里面存放的是一系列函数指针，实现像开关中断这样的由中断控制器提供的中断管理服务。

                       irq_desc
      irq == ?? ==> +------------+
                    | handle_irq |
   irq_chip      +--|    chip    |        irqaction
+------------+<--+  |   action   | ---> +-----------+  +->+-----------+  +-> ...
|  irq_mask  |      |    name    |      |  handler  |  |  |  handler  |  |
| irq_unmask |      .            .      | thread_fn |  |  | thread_fn |  |
.            .      .            .      |   next    |--+  |   next    |--+
.            .                          .           .     .           .

对于从中断号（上图中的irq）到irq_desc的映射，Linux里默认是用了一个NR_IRQS个单元的irq_desc数组做的，也就是说中断号仅限于0到NR_IRQS-1之间。如果配置选项CONFIG_SPARSE_IRQ开启，那么中断号到irq_desc的映射就会用一个radix tree来维护，那样的话中断号多大都无所谓了。

irq_desc有几个设置函数，用来设置handle_irq、name、chip（严格来说是irq_desc里的irq_data的chip）等，包括：

irq_set_chip：设置chip
__irq_set_handler：设置handle_irq和name
irq_set_chip_and_handler_name：handle_irq、name、chip全包

3. procfs & sysfs里的中断相关文件

3.1 /proc/interrupts

这大概是最著名的一个了。文件的创建位置是proc_interrupts_init，内容由show_interrupts函数提供，主要流程是遍历一遍所有有效的逻辑中断号，对于带了action（也就是被注册过的）的中断，打印的域包括：

逻辑中断号；
每个CPU上中断次数的统计；
对应chip的名称，诸如IO-APIC、PCI-MSI之类；
中断的名称，即irq_desc里的name，通常是空的；
每个action的名称，也就是request_irq时给的name，多个action的话用逗号分隔。

遍历了所有逻辑中断号之后，还会调用arch_show_interrupts获得体系结构相关部分的中断信息，在x86上所有第一列不是数字的部分就是x86的arch_show_interrupts捣腾出来的内容，主要的信息包括中断类型和每个CPU上的中断计数。

3.1.1 /proc/interrupts有中断看不到？！

这个可以有，因为首先处理中断的总是内核的架构相关部分，如果它默默地自己处理了某些中断，既不用handle_irq（架构无关部分的中断处理入口），也不request_irq，还不在arch_show_interrupts里给你看，那/proc/interrupts里自然就找不到这些中断的痕迹。

x86就有架构相关部分默默处理掉的中断，比如LAPIC时钟。虽说LAPIC时钟中断默认是0x20，但在__setup_APIC_LVTT里就把它改成0xEF了，而0xEF的IDT表项又在apic_intr_init中专门设成了apic_timer_interrupt，而不是irq_entries_start那张表里的通用入口。所以要是在/proc/interrupts里看到这么一行：

1 2	CPU0 CPU1 CPU2 CPU3 0: 134 0 0 0 IO-APIC-edge timer

这货才不是运行时的时钟（不排除系统启动的时候暂时用过它）！真正的时钟应该是：

1	LOC: 919608278 869138540 868188298 901247206 Local timer interrupts

3.2 /proc/irq/*

这个目录主要是用来控制中断亲和性的，目录下面每个被注册过的逻辑中断号有一个目录，用得比较多的是下面两个文件：

smp_affinity：bitmap形式的亲和性设置；
smp_affinity_list：CPU id列表形式的亲和性设置；

其它几个文件只读，其内容的含义待考。

3.3 /sys/…/irq 和 /sys/…/msi_irqs

基本每个device的目录下面都有，irq是每个设备所使用的逻辑中断号，不过奇怪的是有些逻辑中断号没有在/proc/interrupts里出现，原因不明。msi_irqs目录下面是一些以逻辑中断号命名的文件，每个都是这个设备所申请的msi或msix中断，没有申请过msi和msix中断的设备没有这个目录。

4. 总结：怎么知道设备的中断号？

绕了这么一大圈下来，可以明显感觉到x86平台为了让一套中断系统适应各种各样奇奇怪怪的环境，在“可配置”这一点上下了多大功夫。这也让搞内核开发的有点头疼：找个中断号怎么就那么麻烦？！

根据x86中断系统的结构，在Linux里找一个设备的中断号大概分这么几步：

确定逻辑中断号：先看/proc/interrupts，有名字跟设备直接对应的最好，看不出的话就去sysfs这个符号链接的迷宫，从总线、功能、驱动模块……等等角度，找那个device对应的目录，看文件irq和目录msi_irqs的内容；
确定物理中断号：插printk，在适当的位置（比如arch_show_interrupts）把vector_irq这个数组打出来，找哪个物理中断号对应了上面确定的逻辑中断号；
确定物理中断号的配置情况：先从/proc/interrupts搞清楚管理这个中断的chip，然后：

如果是IOAPIC，找调用ioapic_write_entry和__ioapic_write_entry（更新I/O Redirection Table的函数）的地方；
如果是MSI，找驱动初始化时申请msi的地方；
如果是其它东西，那一般是一个级联的中断控制器，先翻翻这个中断控制器的驱动，看看有没有设置中断号之类的API再做商榷；
对于中断号用字母缩写的中断，在apic.h里找对应的寄存器，然后找apic_write这个寄存器的地方。

参考资料:

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