Linux中斷處理

由於IO設備的速度遠慢於CPU，如果CPU要等待IO動作完成並處理的話，效率是非常差的。透過interrupt機制可解決這問題，當IO動作完成後會發出一個asynchronous interrupt，CPU偵測後會暫停手邊的工作，然後喚醒ISR(interrupt service routine)執行，並處理I/O的請求。

• interrupt的精神：
1. interrupt handlers不能進入sleep，所以要避免呼叫叫到一些functions，內部潛在包含了進入sleep的function calls。
2. 當interrupt handlers部分code要進入critical section，請用spinlocks上鎖，而不是mutexs。
3. interrupt handlers不能與user space進行資料交換。
4. interrupt handlers必須要儘速執行完畢。為了確保這一點，最好將執行工作切成兩部分，分別是top half與bottom half。handler的top half部分會儘速完成工作，然後可以晚點執行的工作放在bottom half，可以透softirqs與tasklets達到此目的。
5. interrupt handlers不能重複被呼叫。當一個handler已經在執行，它的對應IRQ必須要被disable，直到handler執行完畢。
6. interrupt handlers能被更高權限的handlers中斷。如果要避免被高權限的handlers中斷，你可以將interrupt handler標示為fast handler。但如果太多被標示為fast handlers被導致系統performance下降，因為interrupt latency時間會變長。
• synchronous interrupt（軟體產生）：
1. 當runtime錯誤發生，會發出此interrupt。
2. software interrupts，例如system calls。

Linux Linked Lists

Linux本身已經實作了doubly linked lists的資料結構，我們可透過linked lists實現一些功能，底下是一個範例：

定義list節點的資料結構

struct _job_list {
 struct list_head all_jobs; /* 工作清單 */
 void (*worker_handle)(char *); /* 執行工作的function */
 void *worker_data; /* 執行工作所需資料 */
 wait_queue_head_t todo; /* 用於同步boss與worker */
 spinlock_t lock; /* 用於保護工作清單的鎖 */
};

Linux Kernel Threads

很多的drivers會透過Kernel threads（簡稱，kthread）的協助，讓kthread在背景執行扮演服務的角色，然後等待events發生。在等待的過程中，kthread會進入sleep狀態，當事件發生的時候，kthread會被喚醒執行一些time-consuming的工作，如此一來，可防止main thread被blocking住。可透過下面的指令來查看系統上有哪些kthreads：

$ ps -ef

透過上面的指令，可以看到下圖PPID為2的都屬於kthread： 底下是一個kthread的範例，透過insmod載入模組後，會啟動mykthread，然後等待events發生：

Linux Kernel Timers

Kernel依據硬體所提供的不同timer來提供時間相關的服務，例如busy-waiting與sleep-waiting。如果process使用busy-waiting延時等待會浪費掉CPU的時間，反之sleep-waiting可以讓process在等待的這段時間進入睡眠，並交出CPU讓其他的process使用，等時間到了，這process會被叫醒繼續執行。首先，先瞭解一些重要的Kernel Timers變數含義，如jiffies, HZ與xtime。

HZ：
每隔固定週期Linux Kernel會發出timer interrupt，HZ定義每一秒有幾次timer interrupts，而HZ變數是儲存在Kernel變數中，在編譯Kernel之前，可以透過make menuconfig設定此值，設定路徑Processor type and features → Timer frequency (250 HZ)：

Linux BogoMIPS

在Linux開機的過程中，通常可以看到這個訊息：Calibrating Delay... xxxx BogoMIPS (lpj=xxxxxxx)，表示Kernel在開機過程會計算CPU在一個jiffy時間內能執行多少次的延時迴圈，這個計算過程是依據CPU的處理速度進行校正，校正結果值會儲存在Kernel變數中，此變數稱為loops_per_jiffy，而loops_per_jiffy值經過處理後可得到BogoMIPS值。Bogo是Bogus(偽)意思，而MIPS(Million Instructions Per Secon)是每秒百萬指令，所以BogoMIPS就是假的MIPS。透過此網頁http://www.clifton.nl/bogo-list.html可知道不同處理器所對應的BogoMIPS。

那為什麼需要loops_per_jiffy這個值？因為Kernel Driver有時需要很短且精準的delay (millisecond, microsecond, and nanosecond delays)，此時透過jiffies實現delay是不適用，由於單位不夠小，假設Timer Frequency是250HZ，則一個tick相當於4ms，表示最小delay時間只能到4ms。所以Kernel提供 mdelay(), udelay(), 和 ndelay() 這三個函式來達到極短且精準的delay，而這三個函式是透過loops_per_jiffy實現，去計算需要多少個loop operation來得到精確的delay。