3.3.1 Linux中断的使能与屏蔽

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3.3.1 Linux中断的使能与屏蔽

3.3.1.1 中断使能与屏蔽的三重关卡

        本章的主题是hard_local_irq_disable()，它是对中断的关闭操作。为了彻底搞清楚中断关闭的机制，这里先对Linux使能与屏蔽中断的API做详细的分析，然后再分析IPIPE做了哪些针对性地改造。这里分析的范围已经超过了hard_local_irq_disable()。

        硬件控制器的物理中断发生后，到执行中断处理程序IRQ Handler，这中间要经历3重关卡。

3.3.1.2 第一重关卡IMR

        第一重关卡指的是硬件控制器自身的中断屏蔽寄存器IMR。以SPI控制器为例，SPI_IMR[4]为0时代表RX FIFO FULL中断被屏蔽，为1时代表RX FIFO FULL中断被使能。在driver/spi/spi-rockchip.c驱动中，由驱动自行根据需要来管理中断屏蔽位。例如使能RX FIFO FULL中断，则调用：

writel_relaxed(INT_RF_FULL, rs->regs + ROCKCHIP_SPI_IMR);

3.3.1.3 第二重关卡中断控制器的使能bit

        第二重关卡指的是中断控制器的使能bit。以GIC V3为例，每个中断号都有一个enable bit，可以通过GICD_ISENABLER<n>寄存器来set-enable使能中断，通过GICD_ICENABLER<n>寄存器来clear-enable屏蔽中断。在kernel/irq/manage.c，定义了如下接口：

//关闭中断，在非中断处理程序中使用，会等待中断处理程序完成
void disable_irq(unsigned int irq) 

//关闭中断：在中断处理程序中使用，不会等待，避免自己等待自己造成死锁
void disable_irq_nosync(unsigned int irq) 

//使能中断
void enable_irq(unsigned int irq)

        以disable_irq为例，来追踪一下是如何修改中断控制器的使能bit的:

disable_irq <kernel/irq/manage.c>
 ->	__disable_irq_nosync <kernel/irq/manage.c>
	 ->	__disable_irq  <kernel/irq/manage.c>
		 ->	irq_disable <kernel/irq/chip.c>
			 ->	__irq_disable <kernel/irq/chip.c>

        接下来__irq_disable开始了一顿让人迷惑的操作，下面展开说一下。

第1行，第一个入参struct irq_desc *desc是指向中断描述符的指针，为方便讨论，以下简称中断描述符。第二个入参mask涉及到内核的一个精巧的设计。先看一下这个参数是如何传递下来的。

kernel/irq/chip.c:

void irq_disable(struct irq_desc *desc)
{
	__irq_disable(desc, irq_settings_disable_unlazy(desc));
}

kernel/irq/settings.h
static inline bool irq_settings_disable_unlazy(struct irq_desc *desc)
{
	return desc->status_use_accessors & _IRQ_DISABLE_UNLAZY;
}

根据上述代码可以知道，mask的值取决于中断描述符是否设置了标志位_IRQ_DISABLE_UNLAZY。那到底是否定义了呢？在分配sturct irq_desc的过程，desc->status_use_accessors是初始化为0的，所以_IRQ_DISABLE_UNLAZY是没有置位的，入参mask的值为0。为了后续方便讨论，把这种默认情况称为UNLAZY模式。

alloc_desc
->desc_set_defaults
-> irq_settings_clr_and_set(desc, ~0, _IRQ_DEFAULT_INIT_FLAGS) 

#ifndef ARCH_IRQ_INIT_FLAGS
# define ARCH_IRQ_INIT_FLAGS	0
#endif
#define IRQ_DEFAULT_INIT_FLAGS	ARCH_IRQ_INIT_FLAGS

第3行，调用irqd_irq_disabled判断中断描述符是否已经处于IRQD_IRQ_DISABLED。如果是IRQD_IRQ_DISABLED，因为mask默认是0，所以其实什么都不做。如果不是IRQD_IRQ_DISABLED，跳转到第7行。

第7行，调用irq_state_set_disabled，将中断描述符设置为IRQD_IRQ_DISABLED。

第8行，判断中断描述符所在的中断控制器是否定义了回调函数desc->irq_data.chip->irq_disable。以drivers/irqchip/irq-gic-v3.c为例，static struct irq_chip gic_chip并没有定义此回调函数，所以第8行的判断不成立，第9~10行不会执行，直接跳转到第11行。

第11行，因为mask为0，所以判断不成立。

综上所述，在默认的UNLAZY模式下，__irq_disable仅仅设置了一个IRQD_IRQ_DISABLED标记，并没有真正的操作中断控制器的使能bit呀？是的，在调用disable_irq <kernel/irq/manage.c>关闭某个中断号后，如果中断发生了，是会触发中断处理流程的，以GIC V3为例，中断处理流程走到irq_desc->handle_irq->handle_fasteoi_irq<kernel/irq/chip.c>时，会检查IRQD_IRQ_DISABLED标记。如果IRQD_IRQ_DISABLED标记置位了，则调用mask_irq(desc)清空中断控制器的使能bit: desc->irq_data.chip->irq_mask(&desc->irq_data)->gic_mask_irq-> gic_poke_irq(d, GICD_ICENABLER)

kernel/irq/chip.c:
void mask_irq(struct irq_desc *desc)
{
	if (irqd_irq_masked(&desc->irq_data))
		return;

	if (desc->irq_data.chip->irq_mask) {
		desc->irq_data.chip->irq_mask(&desc->irq_data);
		irq_state_set_masked(desc);
	}
}

drivers/irqchip/irq-gic-v3.c:
static struct irq_chip gic_chip = {
	.name			= "GICv3",
	.irq_mask		= gic_mask_irq,
	.irq_unmask		= gic_unmask_irq,
……
}

static void gic_mask_irq(struct irq_data *d)
{
	gic_poke_irq(d, GICD_ICENABLER);
}

        绕了这么一大圈，好处是啥？调用disable_irq <kernel/irq/manage.c>关闭某个中断号后，是不一定有中断发生的。如果在调用enable_irq <kernel/irq/manage.c>之前，确实如预测的一样，没有中断发生，那么disable_irq就省掉了一次对中断控制器寄存器(使能bit)的操作。

3.3.1.4 第三重关卡

        第三重关卡指的是CPU core的异常掩码标志。以ARM64为例，DAIF寄存器用来控制异常是否被屏蔽，具体状态通过PSTATE.DAIF查看。

CPU的每个core的DAIF时独立的，所以对DAIF操作的函数都有local_前缀，并且有两对API:

include/linux/irqflags.h：

//第一对API
#define local_irq_enable()	do { raw_local_irq_enable(); } while (0)
#define local_irq_disable()	do { raw_local_irq_disable(); } while (0)

//第二对API
#define local_irq_save(flags)					\
	do {							\
		raw_local_irq_save(flags);			\
	} while (0)
#define local_irq_restore(flags) do { raw_local_irq_restore(flags); } while (0)

两对API的区别是什么？一个粗暴，一个温柔。

local_irq_disable()/local_irq_enable是简单粗暴，直接关闭和打开中断。以ARM64为例，最终调用arch_local_irq_disable和arch_local_irq_enable来操作DAIF。

arch/arm64/include/asm/irqflags.h：

static inline void arch_local_irq_enable(void)
{
	asm volatile(
		"msr	daifclr, #2		// arch_local_irq_enable"
		:
		:
		: "memory");
}

static inline void arch_local_irq_disable(void)
{
	asm volatile(
		"msr	daifset, #2		// arch_local_irq_disable"
		:
		:
		: "memory");
}

        简单粗暴是要付出代价的。在调用local_irq_disable()之前，DAIF可能已经处于关闭状态了。当配对使用local_irq_enable时，肯定会直接打开DAIF，这不就破坏了原来DAIF关闭的状态了，无法回到当初的状态了。

       local_irq_save(flags)和local_irq_restore(flags)就显得很温柔了。local_irq_save先保存DAIF的状态到flags，然后再关闭DAIF。当配对使用local_irq_restore(flags)时，把flags保存的状态恢复到DAIF，而不是简单的打开DAIF，以此来保证恢复当初的状态。

arch/arm64/include/asm/irqflags.h：

static inline unsigned long arch_local_irq_save(void)
{
	unsigned long flags;
	asm volatile(
		"mrs	%0, daif		// arch_local_irq_save\n"
		"msr	daifset, #2"
		: "=r" (flags)
		:
		: "memory");
	return flags;
}

static inline void arch_local_irq_restore(unsigned long flags)
{
	asm volatile(
		"msr	daif, %0		// arch_local_irq_restore"
	:
	: "r" (flags)
	: "memory");
}

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