前兩天一直在思考一個問題，在PCI-Express總線引入Linux之后，Linux的中斷處理部分會有什么變化呢?要回答這個問題首先需要分析一下Linux系統(tǒng)是如何調用中斷服務程序的。其實，正因為Linux對中斷處理部分良好的封裝性，使得PCI總線向PCI-Express過渡時沒有觸及到框架性的變化。
其實, 幾年前第一次分析Linux中斷處理函數的時候就覺得非常奇怪，Linux將所有的中斷處理都需要通過一個do_IRQ的函數完成。也就是說，Linux沒有充分利用不同處理器體系架構在中斷處理方面的不同，沒有充分利用中斷向量表的作用。在X86處理器上，我們都知道不同的中斷號對應不同的中斷向量，當一個中斷發(fā)生的時候，處理器會直接跳轉到對應中斷向量表的位置，然后執(zhí)行中斷向量表處的對應函數。顯然Linux沒有充分利用中斷向量表，一旦進入中斷之后，不管是什么中斷，Linux會通過中斷向量表執(zhí)行do_IRQ這樣一個公共函數。然后在這個公共函數中再通過中斷號查找對應的中斷服務程序。這樣的處理顯然增加了中斷服務程序的調用延遲。Linux的中斷處理函數do_IRQ調用過程示例代碼如下所示：
IRQn_interrupt: pushl $n-256 jmp common_interrupt common_interrupt: SAVE_ALL call do_IRQ jmp ret_from_intr
在do_IRQ函數中，Linux會通過事先存儲的中斷號(push $n-256)在irq_desc[]數組中找到對應的中斷服務程序集。由于很多外部設備都是共享中斷的，特別是傳統(tǒng)的PCI設備是共享中斷號的，因此，Linux會依次執(zhí)行這些中斷服務程序集。在中斷服務程序中，首先需要讀取對應設備的中斷狀態(tài)寄存器，來判斷這個中斷是否是自己的，如果是自己的，那么認領這個中斷，執(zhí)行中斷上半部的操作，否則，將這個中斷執(zhí)行的機會讓給其他的服務程序。Linux中的irq_desc[]和irq_action是中斷處理過程中的關鍵結構，設備驅動程序這冊中斷操作也就是將中斷服務程序注冊到這些結構中，這兩個結構的關系我們可以表示如下：
通過上述分析，我覺得Linux的這種處理不是最佳處理的，優(yōu)點是對于不同體系結構的處理器具有普適性。通過do_IRQ函數可以將所有處理器在中斷處理機制方面的差異給屏蔽掉，但是，的確損失了中斷處理的實時性。在ARM處理器中，為了提高中斷處理實時性，將中斷處理分為向量中斷(vector interrupt)和快速中斷(fast interrupt)兩類。在通常的ARM編程中，我們會對應的中斷服務程序注冊到一個中斷向量上，當這個中斷被觸發(fā)的時候，ARM處理器會自動加載中斷服務程序地址到一個寄存器中，該寄存器的地址會被填寫到中向量表中，因此，ARM會直接調用執(zhí)行中斷服務程序。中斷服務程序只需保存寄存器現場即可。對于快速中斷，ARM的處理更加直接直接，并且硬件會自動保存寄存器現場，節(jié)省了中斷服務程序調用時鐘周期，提高了系統(tǒng)的響應能力。如果采用Linux的機制，那么硬件提供的一些優(yōu)勢全部付之一炬，但是換回的是可移植性。對于實時系統(tǒng)而言，這個地方是需要修改的。
傳統(tǒng)的PCI總線采用的是共享中斷的方式，帶來的問題就是中斷處理實時性不夠，每次發(fā)生PCI中斷的時候，注冊在相同中斷向量上的服務程序都需要查詢自己的中斷狀態(tài)寄存器，以此來判斷該中斷是否屬于自己。為了解決這個問題，PCI在演進過程中提出了SMI中斷的內容，PCI設備向CPU發(fā)出中斷請求時，直接向總線發(fā)送SMI消息，Root Complex中的APIC在接收到這個消息之后，有兩種方式將這個中斷事務上報給處理器：第一種方式是在Root Complex中的APIC上定義一個寄存器，在這個寄存器中可以存儲PCI設備提交的中斷向量號，當APIC接收到中斷事務之后，會向處理器提交中斷請求(INTX)，CPU進入中斷服務程序之后，會查詢APIC中的寄存器得到中斷向量，然后調用該中斷向量對應的中斷服務程序;第二種方式是APIC在接收到中斷事務之后，向處理器發(fā)送一個FSB中斷事務，CPU接收到這個FSB的中斷事務后，會進入中斷狀態(tài)，并且從該事務中獲得中斷向量號，然后直接調用對應的中斷服務程序。顯然，第一種方式需要額外的寄存器訪問延遲，而第二種方式采用FSB的中斷事務直接將中斷向量號告訴處理器，這種方式的效率會更高。
對于PCI設備端，需要實現SMI中斷機制，需要利用額外的中斷配置空間。在設備驅動加載的時候，會給每個PCI設備分配SMI消息發(fā)送給地址，以及對應的中斷向量號，驅動程序 會將這些信息寫入PCI設備配置空間。在PCI設備發(fā)送中斷請求的時候，直接將分配的中斷向量號通過PCI寫事務寫入分配的地址即可。
通過上述分析，PCI-Express的SMI中斷會將中斷向量號提交給CPU，不管是處理器查詢APIC寄存器還是通過FSB中斷事務告訴給處理器，最終，在處理器進入中斷之后可以得到對應設備的中斷向量號，因此，可以直接調用現有的do_IRQ來執(zhí)行中斷服務程序。而且，PCI-Express設備沒有必要共享中斷向量號，因此，中斷服務程序處理的效率的確高了不少。
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