Day 27：IRQ (Part 1) - 断开魂结！

简介

中断这个机制因为 busy waiting 的等待很浪费处理器的资源，所以会希望有一个机制可以做到类似「到货通知」的效果。

大原则：有人插队 = 有人要等更久

因为 interrupt 是一件「停下目前执行流程，转而处理其他事情」的执行过程，这表示 原先的工作会被延後，但是又不得不给 interrupt 「插队」。无论如何要记住：当得到一段「可以插队」的时间时，这是以其他执行单元的延迟换取的，所以最好这个插队的时间不要拖太久。才不会拖到其他事情。因此，概念上来说，会把一个中断要执行的任务，分成两个部分：

1. 那些希望利用「插队时间」处理的部分，也称为「上半部」(top-half)
2. 不用现在立刻处理的部分，也就是「下半部」(bottom-half)。

上半部：尽量不拖延

上半部是插队换来的时间，而且因为无法预期 interrupt 什麽时候会发生，所以这种「插队」可以说是突发状况。为了避免突发状况让本来预定的工作延迟太久，所以应变要能快就快。

这时候会做的事通常是厘清有什麽事情要处理，然後把工作交给适当的执行单元执行。比如交给 Workqueue、tasklet 等等可以更有效率安排与执行工作的机制来代为执行。这类「可以把工作推给他们」的机制，通称 work deferring mechanism，Workqueue、tasklet、softirq 等等都可以帮忙执行。虽然是稍微久远的资料，但这里面有简单介绍各种这样的机制。

而那些「交给这些延迟执行的机制」部分的工作，就称为「下半部」。

下半部：剩下的就是下半部的事了

这就是指 interrupt 发生之後，那些「请其他执行单元代为执行」的工作。这些机制有的也是另外一种 interrupt; 有的则是另外一个行程。这两种不同的执行状态

两种 Context：Interrupt 与 Process

Interrupt：实实在在的 ISR

中断发生时会跳到某些预先定义好的函式的进入点。这些函式称作 interrupt service routine。他们存在特定的中断向量表之中，一旦被触发，处理器就要模式切换过去服侍处理它。以 Cortex-M 为例，这些 interrupt service routines 的进入点，就是下面对应的中断向量。执行中断的意思，就是跳转到那些中断向量中执行：

Process：人为的抽象结构

相较於 interrupt 这种在硬体中有特殊地位的执行方式，process 的概念是人为定义的，本质是作业系统设计者定义的，「一个可以描述工作进度的资料结构」。比如说：你觉得一个工作的进度，可以用 9 个暂存器加上 program counter 与 link register 描述，那这就可以拿来当一个抽象化的行程。

像是在 (空一格) 这个例子 中，一个行程只是一组 {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, ip, lr} 暂存器形成的有序对。对於多个这样的有序对所代表的任务，你可以：

1. 把现在这一组有序对的数值存到记忆体中。
2. 接着载入另外一组这样的有序对到处理器中。
3. 让处理器开始执行这新的一组有序对所代表的工作进度。

Boom! 你完成 context switch 了！处理器轮流在多个代表任务的资料结构进行替换，就制造了「多个行程在执行」的~~假象~~抽象化。

而用来描述工作进度与执行状态的资料结构，不仅限於是一组暂存器形成的有序对，也可以是一个复杂的资料结构。像是 Linux 中的 struct task_struct。行程就是很多这种而形成的假象抽象化。

但最终，这些「行程」是人为设计出来的东西，就是一组用以描述与恢复工作进度的 metadata 。不管这组 metadata 的形式是特定几个暂存器的数值，或是其他特别的资料结构，处理器把这些特定形式的 metadata 轮流拿起来看一看，把他们上面描述的工作进度做一点点，然後丢到旁边换下一个。轮流在这个抽象的工作进度之间不断切换执行，就是人所看到的「行程正在往下执行」。

两种 Context

从上面的例子可以知道：process 的执行，是处理器在不同代表「任务进度」的资料结构间，不断切换执行，形成的~~假象~~抽象化; 而 interrupt 的执行则无关乎这样的抽象化存不存在。这就造就了两种不同的 context：前者执行时仰赖行程这个抽象化的设计，但後者不用。

有时候会有以 current 巨集作为两者的指标。比如说文件中 Unreliable Guide To Hacking The Linux Kernel 的章节就有提到。

补充：Threaded IRQ

虽然说看起来 interrupt 的工作就是在 interrupt context 执行; 而行程就是在 process context 执行。但 Linux 也有把 interrput 移往 process context 处理的机制，称作 threaded IRQ。这是为了 PREEMPT_RT 设计的机制：这样中断的执行就可以像行程一样被抢占与排程。

按：虽然说就算没有 threaded IRQ，有的处理器 (比如说 Cortex-M 的 NVIC 有优先权高低的机制) 也可以使中断被其他中断抢占。但我想不到把所有内容编排在一起的合适写法。

术语：Atomic Context

「执行时没有人可以打断他」的执行状态，称作 atomic context。与之对立的就是 non-atomic context，比如说像行程，他可以被排程，或是「执行尚未结束时，有人可以把他送去等待或睡眠」，这种中断的状况，就不是 atomic context。这时候如果去休眠，没有机制可以改变他的执行状态，所以这会决定这个里面能做什麽事 (比如说：能不能持有会导致休眠的锁)。可以参考 LWN 的文章。

听起来有点像 interrupt context，但其实要考虑这个核心有没有 threaded IRQ 的机制。所以就把他放在最後面才提出来。