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針對(duì)于嵌入式軟件雜亂的知識(shí)點(diǎn)總結(jié)起來,提供給讀者學(xué)習(xí)復(fù)習(xí)對(duì)下述內(nèi)容的強(qiáng)化。

目錄

1.硬中斷,軟中斷是什么?有什么區(qū)別?

2.中斷為什么要區(qū)分上半部和下半部?

3.中斷下半部一般如何實(shí)現(xiàn)?

4.linux中斷的響應(yīng)執(zhí)行流程?中斷的申請(qǐng)何時(shí)執(zhí)行(何時(shí)執(zhí)行中斷處理函數(shù))?


1.硬中斷,軟中斷是什么?有什么區(qū)別?

硬中斷:由硬件設(shè)備觸發(fā),響應(yīng)時(shí)間要求非???#xff0c;通常用于緊急事件的處理。

軟中斷:由軟件(操作系統(tǒng))觸發(fā),通常用于延遲執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù),響應(yīng)時(shí)間不如硬中斷緊急。

硬中斷是由硬件設(shè)備觸發(fā)的中斷信號(hào)。硬件設(shè)備(如定時(shí)器、外設(shè)、I/O 設(shè)備等)在需要 CPU 處理時(shí)通過發(fā)送中斷信號(hào)來打斷 CPU 正常的指令執(zhí)行流程。

工作原理

  • 當(dāng)外部硬件設(shè)備發(fā)生特定事件(如數(shù)據(jù)到達(dá)、硬件狀態(tài)變化等),硬件會(huì)向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求。
  • CPU 在執(zhí)行完當(dāng)前指令后,會(huì)停止當(dāng)前任務(wù),跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序(ISR,Interrupt Service Routine)來處理中斷請(qǐng)求。
  • 中斷服務(wù)程序(ISR)通常是高優(yōu)先級(jí)的,必須盡可能短小快速地執(zhí)行,避免占用過多的 CPU 時(shí)間。
  • 一旦 ISR 執(zhí)行完成,CPU 會(huì)返回到被中斷的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。

特性

  • 由外部硬件觸發(fā),屬于硬件事件。
  • 通常是實(shí)時(shí)的,必須迅速響應(yīng)硬件事件。
  • 執(zhí)行時(shí),操作系統(tǒng)無法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,因?yàn)?CPU 被打斷并立即處理中斷。
  • 硬中斷一般是不可預(yù)期的,必須確保中斷處理的實(shí)時(shí)性。

常見的硬中斷例子

  • 外部傳感器的數(shù)據(jù)變化
  • 定時(shí)器中斷
  • 外部按鈕或輸入信號(hào)的變化
  • 網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)數(shù)據(jù)接收中斷

軟中斷是由軟件程序觸發(fā)的中斷,不依賴硬件設(shè)備,而是由操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序通過軟件指令觸發(fā),用來執(zhí)行某些特定的操作。軟中斷機(jī)制用于延遲處理硬中斷后的某些任務(wù),或者用于執(zhí)行一些高優(yōu)先級(jí)的操作。

工作原理

  • 軟中斷通常是在硬中斷處理程序中通過內(nèi)核代碼觸發(fā)的。在硬中斷響應(yīng)完成后,操作系統(tǒng)會(huì)通過軟中斷將一些較為復(fù)雜的任務(wù)推遲到稍后的合適時(shí)機(jī)執(zhí)行。
  • 軟中斷并不是立即執(zhí)行的,它依賴操作系統(tǒng)的調(diào)度,通常是以工作隊(duì)列定時(shí)器或其他機(jī)制的形式延遲執(zhí)行。
  • 軟中斷的處理通常發(fā)生在內(nèi)核態(tài),當(dāng)硬中斷處理程序完成后,軟中斷可能會(huì)被執(zhí)行。
  • 軟中斷的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)通常低于硬中斷,但比普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)要高。

特性

  • 由軟件觸發(fā),通常是內(nèi)核或操作系統(tǒng)中的事件。
  • 用于延遲處理一些任務(wù),或者處理高優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)工作。
  • 不需要硬件支持,完全由軟件控制。
  • 軟中斷可以在硬中斷處理完成后執(zhí)行,但不能打斷硬中斷本身。

常見的軟中斷例子

  • 網(wǎng)絡(luò)包的處理(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理)
  • 軟中斷用于管理定時(shí)器事件
  • 內(nèi)存管理相關(guān)的操作,如虛擬內(nèi)存分頁(yè)
  • 調(diào)度任務(wù)(如 Linux 中的任務(wù)切換)
特性硬中斷(Hardware Interrupt)軟中斷(Software Interrupt)
觸發(fā)源外部硬件設(shè)備(如傳感器、I/O設(shè)備、定時(shí)器等)由內(nèi)核或操作系統(tǒng)軟件觸發(fā)
觸發(fā)方式硬件通過中斷信號(hào)觸發(fā)中斷通過軟件指令或內(nèi)核操作觸發(fā)軟中斷
優(yōu)先級(jí)高,實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)低于硬中斷,但通常比普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)高
執(zhí)行時(shí)間中斷處理程序通常需要快速執(zhí)行,避免占用過多時(shí)間軟中斷可以執(zhí)行更復(fù)雜的操作,不需要立即響應(yīng),通常是延遲處理
響應(yīng)時(shí)機(jī)即時(shí)響應(yīng)硬件事件,執(zhí)行的任務(wù)非常緊急在硬中斷響應(yīng)后執(zhí)行,通常用于處理延遲的操作
控制方式由硬件和 CPU 控制,通常不能被輕易禁止或改變由操作系統(tǒng)控制,內(nèi)核可以控制軟中斷的觸發(fā)和執(zhí)行
中斷服務(wù)程序(ISR)由硬件中斷觸發(fā)的服務(wù)程序,通常必須盡可能短小和高效由軟件中斷觸發(fā)的服務(wù)程序,可能更復(fù)雜,處理時(shí)間更長(zhǎng)
上下文切換在硬中斷處理期間,操作系統(tǒng)無法進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和上下文切換軟中斷是在內(nèi)核模式下執(zhí)行,操作系統(tǒng)可進(jìn)行上下文切換
中斷嵌套可以嵌套其他硬中斷,但會(huì)受到優(yōu)先級(jí)和硬件支持的限制軟中斷通常無法直接嵌套硬中斷,但可以在軟中斷中調(diào)用其他軟中斷

在嵌入式 Linux 中,硬中斷和軟中斷常常是結(jié)合使用的。硬中斷通常用來快速響應(yīng)外部硬件事件,而軟中斷則用于推遲一些復(fù)雜的任務(wù),以便在稍后的時(shí)間處理,避免阻塞實(shí)時(shí)的硬中斷處理。例如:

  • 硬中斷:當(dāng)外部設(shè)備(如網(wǎng)絡(luò)接口卡)接收到數(shù)據(jù)時(shí),它會(huì)觸發(fā)硬中斷,CPU 跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序,快速處理中斷。
  • 軟中斷:硬中斷處理完成后,操作系統(tǒng)可能會(huì)使用軟中斷來處理接收到的數(shù)據(jù)包(例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理),因?yàn)閿?shù)據(jù)包的處理較為復(fù)雜,不能立即進(jìn)行。

通過這種方式,系統(tǒng)能夠保證實(shí)時(shí)的硬件事件響應(yīng),同時(shí)又能通過軟中斷來處理一些相對(duì)復(fù)雜但又重要的任務(wù)。

2.中斷為什么要區(qū)分上半部和下半部?

Linux中斷分為硬件中斷和內(nèi)部中斷(異常),調(diào)用過程:外部中斷產(chǎn)生->發(fā)送中斷信號(hào)到中斷控制器->通知處理器產(chǎn)生中斷的中斷號(hào),讓其進(jìn)一步處理。

對(duì)于中斷上半部和下半部的產(chǎn)生,為了中斷處理過程中被新的中斷打斷,將中斷處理一分為二,上半部登記新的中斷,快速處理簡(jiǎn)單的任務(wù),剩余復(fù)雜耗時(shí)的處理留給下半部處理,下半部處理過程中可以被中斷,上半部處理時(shí)不可被中斷。

  • 上半部(Top Half)

    • 上半部是中斷的立即響應(yīng)部分,通常在硬中斷發(fā)生時(shí)會(huì)被調(diào)用。
    • 處理程序在這部分應(yīng)該盡量簡(jiǎn)短、高效,避免長(zhǎng)時(shí)間占用 CPU 和影響其他任務(wù)的執(zhí)行。
    • 上半部的主要任務(wù)是捕捉并記錄中斷源,執(zhí)行一些必要的硬件操作,并盡快返回。它的目標(biāo)是讓中斷的響應(yīng)盡可能快,防止丟失重要的事件或數(shù)據(jù)。
  • 下半部(Bottom Half)

    • 下半部是中斷的延遲處理部分,它通常在中斷處理完畢后,在合適的時(shí)機(jī)(例如操作系統(tǒng)調(diào)度時(shí))被執(zhí)行。
    • 這部分可以執(zhí)行較為復(fù)雜的操作,如數(shù)據(jù)的處理、任務(wù)的調(diào)度等。與上半部不同,它可以使用系統(tǒng)調(diào)用和進(jìn)程調(diào)度。
    • 下半部的處理不需要立刻執(zhí)行,因此可以延遲執(zhí)行,以避免長(zhǎng)時(shí)間占用中斷上下文。
特性上半部(Top Half)下半部(Bottom Half)
觸發(fā)時(shí)機(jī)由硬中斷觸發(fā),立即響應(yīng)硬件事件在上半部處理完成后,由操作系統(tǒng)調(diào)度觸發(fā)
執(zhí)行環(huán)境在中斷上下文中執(zhí)行,不能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存分配等在進(jìn)程上下文中執(zhí)行,允許進(jìn)行內(nèi)存分配、進(jìn)程調(diào)度等復(fù)雜操作
執(zhí)行任務(wù)簡(jiǎn)單且高效的硬件相關(guān)處理,如記錄中斷源、清除中斷標(biāo)志等復(fù)雜的任務(wù)處理,如數(shù)據(jù)處理、協(xié)議棧處理等
優(yōu)先級(jí)高優(yōu)先級(jí),實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)低于上半部?jī)?yōu)先級(jí),通常需要在稍后的調(diào)度周期中處理
時(shí)間限制必須盡量快速執(zhí)行,以避免影響其他中斷的響應(yīng)和任務(wù)的執(zhí)行可以較長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行,不需要立即響應(yīng)
任務(wù)內(nèi)容捕獲硬件事件,清除中斷標(biāo)志,快速更新硬件狀態(tài),極少操作系統(tǒng)資源數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、內(nèi)存分配、進(jìn)程調(diào)度、復(fù)雜算法等
中斷嵌套不能嵌套處理其他硬中斷可能會(huì)被其他軟中斷或工作隊(duì)列觸發(fā)
中斷禁用執(zhí)行期間通常會(huì)禁用其他中斷,防止中斷嵌套不需要禁用其他中斷,允許并發(fā)執(zhí)行
處理方式硬中斷處理程序(ISR),必須簡(jiǎn)短和高效軟中斷或任務(wù)隊(duì)列,允許較長(zhǎng)時(shí)間的處理
處理方式的復(fù)雜度較低,主要處理硬件相關(guān)的直接操作較高,處理系統(tǒng)級(jí)的復(fù)雜任務(wù),如內(nèi)存分配、調(diào)度等
例子網(wǎng)絡(luò)中斷接收數(shù)據(jù)、定時(shí)器中斷、外設(shè)輸入信號(hào)處理等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理、內(nèi)存管理、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清理等

3.中斷下半部一般如何實(shí)現(xiàn)?

在嵌入式 Linux 中,中斷的下半部通常用于延遲執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù),例如數(shù)據(jù)處理、協(xié)議棧處理或其他不適合在硬中斷上下文中執(zhí)行的操作。為了有效地實(shí)現(xiàn)下半部的處理,Linux 內(nèi)核提供了幾種常用的機(jī)制:軟中斷(Soft IRQ)、任務(wù)隊(duì)列(Tasklets)工作隊(duì)列(Work Queues)。這些機(jī)制可以讓延遲的任務(wù)在合適的時(shí)機(jī)得到執(zhí)行,從而不影響中斷的實(shí)時(shí)性。想·

1. 軟中斷(Soft IRQ)

軟中斷是 Linux 內(nèi)核中的一種機(jī)制,旨在推遲某些中斷相關(guān)的工作。它是在硬中斷處理之后,由內(nèi)核調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行的。

使用場(chǎng)景:適用于需要在較高優(yōu)先級(jí)下執(zhí)行,但又不需要占用過多時(shí)間的任務(wù),例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理、定時(shí)任務(wù)的更新等。

實(shí)現(xiàn)方式:內(nèi)核中定義了一些常用的軟中斷類型,例如網(wǎng)絡(luò)處理(NET_RX)、定時(shí)器處理(TIMER)等。內(nèi)核根據(jù)軟中斷的類型自動(dòng)安排其執(zhí)行。

特點(diǎn)

軟中斷在內(nèi)核上下文中執(zhí)行,但可以并發(fā)執(zhí)行。

由于軟中斷是由內(nèi)核調(diào)度的,因此它的執(zhí)行不需要立刻發(fā)生,而是可以推遲到合適的時(shí)機(jī)。

void my_softirq_handler(struct softirq_action *action)
{// 處理一些延遲任務(wù)
}void my_init_softirq(void)
{open_softirq(MY_SOFTIRQ, my_softirq_handler);
}

2. 任務(wù)隊(duì)列(Tasklets)

任務(wù)隊(duì)列是 Linux 中一種輕量級(jí)的軟中斷機(jī)制,用于處理比軟中斷更簡(jiǎn)單的延遲任務(wù)。它本質(zhì)上是一個(gè)與中斷相關(guān)聯(lián)的延遲執(zhí)行函數(shù)。

使用場(chǎng)景:適用于需要在中斷上下文中執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù),但這些任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不能過長(zhǎng),且不依賴于系統(tǒng)調(diào)度。

實(shí)現(xiàn)方式:任務(wù)隊(duì)列是由內(nèi)核提供的一個(gè)高效的機(jī)制,用于在軟中斷上下文中延遲執(zhí)行任務(wù)。

特點(diǎn)

任務(wù)隊(duì)列函數(shù)執(zhí)行時(shí),不會(huì)進(jìn)行進(jìn)程上下文的切換,且執(zhí)行時(shí)不會(huì)阻塞其他任務(wù)。

它是單線程的,一個(gè)任務(wù)隊(duì)列的任務(wù)執(zhí)行期間,不會(huì)被其他任務(wù)打斷。

任務(wù)隊(duì)列是按優(yōu)先級(jí)執(zhí)行的,可以通過 tasklet_schedule()tasklet_hi_schedule() 來調(diào)度任務(wù)。

static void my_tasklet_func(unsigned long data)
{// 處理延遲任務(wù)
}DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, 0);void my_interrupt_handler(int irq, void *dev_id)
{// 在中斷中調(diào)度任務(wù)tasklet_schedule(&my_tasklet);
}

3. 工作隊(duì)列(Work Queues)

工作隊(duì)列是內(nèi)核提供的機(jī)制,它允許在進(jìn)程上下文中執(zhí)行任務(wù)。工作隊(duì)列比任務(wù)隊(duì)列更靈活,可以執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù),比如內(nèi)存分配、文件系統(tǒng)操作或其他系統(tǒng)調(diào)用。

使用場(chǎng)景:適用于需要執(zhí)行較長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù),并且這些任務(wù)涉及到進(jìn)程上下文的操作,例如內(nèi)存分配、文件系統(tǒng)訪問等。

實(shí)現(xiàn)方式:工作隊(duì)列可以將任務(wù)延遲到調(diào)度程序的上下文中執(zhí)行,因此可以進(jìn)行較復(fù)雜的操作。工作隊(duì)列有兩種形式:普通工作隊(duì)列高優(yōu)先級(jí)工作隊(duì)列,后者通常用于需要快速響應(yīng)的任務(wù)。

特點(diǎn)

工作隊(duì)列允許執(zhí)行阻塞操作,因此適用于需要進(jìn)程上下文的任務(wù)。

可以在進(jìn)程上下文中執(zhí)行,可以執(zhí)行進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存分配等操作。

工作隊(duì)列的調(diào)度是由內(nèi)核調(diào)度器進(jìn)行管理,支持多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。

struct work_struct my_work;void my_work_function(struct work_struct *work)
{// 處理復(fù)雜任務(wù)
}INIT_WORK(&my_work, my_work_function);void my_interrupt_handler(int irq, void *dev_id)
{// 在中斷中調(diào)度工作隊(duì)列schedule_work(&my_work);
}
機(jī)制描述適用場(chǎng)景特點(diǎn)
軟中斷(Soft IRQ)在硬中斷之后由內(nèi)核調(diào)度執(zhí)行,適用于中斷后需要處理的簡(jiǎn)單任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、定時(shí)任務(wù)等實(shí)時(shí)性較高,但任務(wù)較為簡(jiǎn)單,不涉及進(jìn)程上下文。
任務(wù)隊(duì)列(Tasklet)延遲執(zhí)行的中斷任務(wù),用于硬中斷后的延遲任務(wù)處理,具有優(yōu)先級(jí)。需要在中斷上下文中執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù),不能過長(zhǎng)。輕量級(jí)、中斷上下文執(zhí)行、任務(wù)隊(duì)列具有較高優(yōu)先級(jí)。
工作隊(duì)列(Work Queue)延遲執(zhí)行的任務(wù),在進(jìn)程上下文中執(zhí)行,可以進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和阻塞操作。復(fù)雜任務(wù)、涉及內(nèi)存分配、文件系統(tǒng)操作等支持阻塞操作、進(jìn)程上下文、適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)。

4.linux中斷的響應(yīng)執(zhí)行流程?中斷的申請(qǐng)何時(shí)執(zhí)行(何時(shí)執(zhí)行中斷處理函數(shù))?

中斷的響應(yīng)流程:cpu接受中斷->保存中斷上下文跳轉(zhuǎn)到中斷處理歷程->執(zhí)行中斷上半部->執(zhí)行中斷下半部->恢復(fù)中斷上下文。
中斷的申請(qǐng)request irq的正確位置:應(yīng)該是在第一次打開、硬件被告知終端之前。

http://www.risenshineclean.com/news/11453.html

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