中断分析

首先来看中断的流程:

1.进入中断处理程序--->  2.保存关键上下文----> 3.开中断(sti指令)--->
/*
硬中断:对应于1、2、3步骤。
在这几个步骤中,所有中断是被屏蔽的,如果在这个时候睡眠了,操作系统不会收到任何中断(包括时钟中断),系统就基本处于瘫痪状态(例如调度器依赖的时钟节拍没有等等……) 中断handler会使用被中断的进程内核堆栈(但不会对它有任何影响,因为handler使用完后会完全清除它使用的那部分堆栈,恢复被中断前的原貌)。 */
4.进入中断处理程序的 handler--->5.关中断(cli指令)----> 6.写EOI寄存器(表示中断处理完成)----> 7.开中断。
/* 软中断: 对应上的4(当然,准确的说应该是4步骤的后面一点)。这个时候不能睡眠的关键是因为上下文:
大家知道操作系统以进程调度为单位,进程的运行在进程的上下文中,以进程描述符作为管理的数据结构。进程可以睡眠的原因是操作系统可以切换不同进程的上下文,进行调度操作,这些操作都以进程描述符为支持。
中断运行在中断上下文,没有一个所谓的中断描述符来描述它,它不是操作系统调度的单位。一旦在中断上下文中睡眠,首先无法切换上下文(因为没有中断描述符,当前上下文的状态得不到保存),其次,没有人来唤醒它,因为它不是操作系统的调度单位。
此外,中断的发生是非常非常频繁的,在一个中断睡眠期间,其它中断发生并睡眠了,那很容易就造成中断栈溢出导致系统崩溃。
*/

如果条件满足了(即:有中断描述符,并成为调度器的调度单位,栈也不溢出了,理论上是可以做到中断睡眠的),中断是可以睡眠的,但会引起很多问题.

例如,你在时钟中断中睡眠了,那操作系统的时钟就乱了,调度器也了失去依据;例如,你在一个IPI(处理器间中断)中,其它CPU都在死循环等你答复,你却睡眠了,那其它处理器也不工作了;

例如,你在一个DMA中断中睡眠了,上面的进程还在同步的等待I/O的完成,性能就大大降低了……还可以举出很多例子。

所以,中断是一种紧急事务,需要操作系统立即处理,不是不能做到睡眠,是它没有理由睡眠。

原因

会导致无法唤醒:

中断处理的时候,不应该发生进程切换,因为在中断context中,唯一能打断当前中断handler的只有更高优先级的中断,它不会被进程打断,如果在中断context中休眠,则没有办法唤醒它,因为所有的wake_up_xxx都是针对某个进程而言的,而在中断context中,没有进程的概念,没有一个task_struct(这点对于softirq和tasklet一样),因此真的休眠了,比如调用了会导致block的例程,内核几乎肯定会死。

会导致上下文错乱:

睡眠函数会调用schedule(),切换进程时,保存当前的进程上下文(CPU寄存器的值、进程的状态以及堆栈中的内容),以便以后恢复此进程运行。中断发生后,内核会先保存当前被中断的进程上下文(在调用中断处理程序后恢复);但在中断处理程序里,CPU寄存器的值肯定已经变化了吧(最重要的程序计数器PC、堆栈SP等),如果此时因为睡眠或阻塞操作调用了schedule(),则保存的进程上下文就不是当前的进程context了,所以不可以在中断处理程序中调用schedule()。

结论

任何os,不管是分时os,还是实时os,不管是什么内核(微内核,或者巨内核),在ISR中都不能进行进程切换。

因为ISR不属于任何进程,而切换只能发生在进程上下文中。虽然ISR在执行过程中要使用进程的系统堆栈,但那只是借用,堆栈并不属于isr,而是属于进程。

也可以从优先级角度来理解。任何进程,不论其优先级多高,也不能高过isr,所以不能剥夺isr对cpu的占有权去运行进程。

Linux是以进程为调度单位的,调度器只看到进程内核栈,而看不到中断栈。在独立中断栈的模式下,如果linux内核在中断路径内发生了调度(从技术上讲,睡眠和调度是一个意思),那么linux将无法找到“回家的路”,未执行完的中断处理代码将再也无法获得执行机会,因为没有人能够唤醒它。

附录:能不能把中断设计为允许睡眠

当一个进程A因为中断被打断时,中断处理程序会使用A的内核栈来保存上下文,因为是“抢”的 A 的CPU,而且用了 A 的内核栈,因此中断应该尽可能快的结束。如果 do_IRQ 时又被时钟中断打断,则继续在 A 的内核栈上保存中断上下文,如果发生调度,则 schedule 进 switch_to,又会在 A 的 task_struct->thread_struct 里保存此时时种中断的上下文。

假如其是在睡眠时被时钟中断打断,并 schedule 的话,假如选中了进程 A,并 switch_to 过去,时钟中断返回后则又是位于原中断睡眠时的状态,抛开其扰乱了与其无关的进程A的运行不说,这里的问题就是:该如何唤醒之呢??

另外,和该中断共享中断号的中断也会受到影响。

中断不能睡眠的的最大好处就是可以简化内核的设计。如果说中断随时可以睡眠的话, 那么就必须考虑很多其它方面的事情:

比如睡眠之后又出现了同一IRQ号的中断又该怎么办, 等等

其实, 如果自己能把握好,中断中睡眠也是可以的。但是必须能够保证这段代码具有足够的安全性与可靠性(不破坏调度上下文,能够被唤醒)。

ref:

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