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第 12 屆 iThome 鐵人賽
DAY 29
2
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Modern Maker : 從那些 Maker 的大小事看 Linux 核心系列 第 29 篇

Day 29：IRQ (Part 3) - 這是核心執行緒的味道！Threaded IRQ

12th鐵人賽
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這篇文章以實驗觀察 threaded IRQ 與傳統 IRQ 的不同。

關於這一切 IRQ 行為不同，可以參考 2016 年 ELCE 中，Alison Chaiken 的演講 IRQs: the Hard, the Soft, the Threaded and the Preemptible，裡面介紹了比如 threaded IRQ 這類機制與傳統的 IRQ 有什麼不同。除此之外，interrupt controller 的驅動程式架構，可以參考也是 2016 年的 ELCE 中，How Dealing with Modern Interrupt Architectures can Affect Your Sanity 演講，聽他聊聊現代的電腦中，中斷相關周邊硬體是如何讓人失去理智的(?)。

實驗方面，今 (2020) 年的 OSS NA 中，ftrace 的維護者 Steven Rostedt 親自上陣，在 Finding Sources of Latency on your Linux System 中，提到如何用 ftrace 追蹤 IRQ，並且量測 IRQ 帶來的延遲 (以及 ftrace 相關的最新進展)(14:36 開始的部分)。而他本人也有寫一篇關於這個主題的文章。

程式

關於 threaded IRQ 的用法，文件可以在 kernel/irq/manage.c 的註解中找到。如果就 API 來說的話，threaded IRQ 用起來很簡單：湊到 request_threaded_irq 需要的參數：

int request_threaded_irq(unsigned int irq, 
    irq_handler_t handler,
    irq_handler_t thread_fn, 
    unsigned long irqflags,
    const char *devname, void *dev_id)

這主要的參數大致上跟 request_irq 一樣，除了現在要傳進去兩個 irq_handler_t 以外。這兩個分別是：

  1. handler：上半部的函式，會在 atomic context 下執行。
  2. thread_fn：下半部 ，會在 process context 下執行。

提供完之後，用這個函數註冊他們。

這兩個函式不總是兩個都要：如果你覺得上半部就可以處理完，那麼下半部的函式可以傳進 NULL; 類似地，如果覺得不需要上半部，那麼上半部也可以傳進 NULL。只要兩個當中其中一個有回傳 IRQ_HANDLED 就好。只要提供兩個函數，不用再煩惱是不是要 Workqueue 設計新的資料結構等等。

這一系列函數的基本款是 request_threaded_irq，但也有其他的變形，比如說這邊使用到的 devm_request_threaded_irq 。

Step 1：實作上半部

這個函數是上半部的函數，必須在 atomic context 中執行。如果 IRQ 不需要下半部，那麼要在這裡回傳 IRQ_HANDLED; 但如果有任務要給下半部處理，則要回傳 IRQ_WAKE_THREAD。這邊為了展示使用方法，所以就什麼都不做直接回傳 IRQ_WAKE_THREAD，把任務丟給下半部。

static irqreturn_t minirq_top_half(int irq, void *p)
{
    return IRQ_WAKE_THREAD;
}

事實上可以在 request_threaded_irq 系列的函數中，把上半部函數的位置填進 NULL 來做到一樣的事情，而不用多此一舉寫一個「只會回傳 IRQ_WAKE_THREAD」的函數。但這邊為了展示使用方法，所以故意多此一舉。

Step 2：實作下半部

也就是參數中的 thread_fn，會在 process context 下執行。這邊做的事情跟昨天一樣，就是印一個通知：

static irqreturn_t minirq_bottom_half(int irq, void *p)
{
    struct minirq_dev *minirq = p;
    dev_info(minirq->dev, "Rising edge detected!\n");
    return IRQ_HANDLED;
}

Step 3：request_threaded_irq

最後在 probe 中註冊：

static int minirq_probe(struct platform_device *pdev)
{
    ...
    ret = devm_request_threaded_irq(dev, minirq->irq, 
        minirq_top_half, minirq_bottom_half, 
        IRQF_TRIGGER_RISING, "minirq", minirq);
    ...
}

實驗方法

硬體的配置跟昨天一樣：Raspberry Pi 的 GPIO17 透過 Logic Level Shifter 接到 Arduino 的 A0。而程式方面也跟昨天一樣。為了避免 interrupt 太多，建議可以是當調整時間間隔。而 Arduino 使用的程式如下：

void setup() {
    pinMode(A0, OUTPUT);
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    digitalWrite(A0, LOW);
    delay(500);
    digitalWrite(A0, LOW);
    delay(500);
}

觀察工具

這邊使用兩個工具來觀察：ftrace 跟 ps。

ps -aux

使用 ps -aux 的目的是看看有沒有新的 kernel thread 產生。在實驗開始之前，看起來是這個樣子：

$ ps -aux | grep irq
root         9  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:00 [ksoftirqd/0]
root        15  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:00 [ksoftirqd/1]
root        20  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:00 [ksoftirqd/2]
root        25  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:01 [ksoftirqd/3]
pi        2642  0.0  0.0   7348   516 pts/0    S+   10:29   0:00 grep --color=auto irq

ftrace

ftrace 目的是哪個執行單元執行了 minirq_* 這些函數，這樣就可以知道處理這個 IRQ 時的路徑是什麼。而不管是 threaded IRQ 或是傳統的 IRQ，這邊使用的指令都一樣：用 function 這個 tracer，並且用 -func-stack 選項令他印出 stack trace：

$ sudo trace-cmd record \
    -p function \
    -T \
    --func-stack \
    -l minirq_*

實驗：ps -aux

觀察：ps -aux (傳統 IRQ)

如果沒有用 threaded IRQ，模組安裝上去之後，ps -aux 的結果還是一樣：

$ sudo insmod minirq.ko 
$ ps -aux | grep irq
 root         9  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:00 [ksoftirqd/0]
 root        15  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:00 [ksoftirqd/1]
 root        20  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:00 [ksoftirqd/2]
 root        25  0.0  0.0      0     0 ?        S    09:29   0:01 [ksoftirqd/3]
 pi        2697  0.0  0.0   7348   492 pts/0    S+   10:29   0:00 grep --color=auto irq

(USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND)

觀察：ps -aux (Threaded IRQ)

而如果是 threaded IRQ 的版本，如果安裝上模組之後，立刻執行，就會發現在差不多時間多出了一個名為 irq/167-minirq 的核心執行緒：

$ sudo insmod minirq.ko 
$ ps -aux | grep irq
 root         9  0.0  0.0      0     0 ?        S    14:40   0:00 [ksoftirqd/0]
 root        15  0.0  0.0      0     0 ?        S    14:40   0:00 [ksoftirqd/1]
 root        20  0.0  0.0      0     0 ?        S    14:40   0:00 [ksoftirqd/2]
 root        25  0.0  0.0      0     0 ?        S    14:40   0:00 [ksoftirqd/3]
+root      2851  0.0  0.0      0     0 ?        S    16:40   0:00 [irq/167-minirq]
 pi        2922  0.0  0.0   7348   492 pts/0    S+   16:41   0:00 grep --color=auto irq
 
(USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND)

實驗：ftrace (上半部)

接著用 ftrace 去看看上半部，也就是 minirq_top_half 這個函數。為了幫變識別，昨天的模組中，IRQ Handler 的名稱從 irq_top_half 也改成 minira_top_half。改動過的程式碼也會附在最後面。

觀察：呼叫堆疊 (傳統 IRQ)

<idle>-0     [000]  7169.646594: function:             minirq_top_half
<idle>-0     [000]  7169.646610: kernel_stack:         <stack trace>
=> ftrace_graph_call (801111c4)
=> __handle_irq_event_percpu (80186c78)
=> handle_irq_event_percpu (80186e90)
=> handle_irq_event (80186f38)
=> handle_edge_irq (8018bbc4)
=> generic_handle_irq (80185c64)
=> bcm2835_gpio_irq_handle_bank (8059f6f4)
=> bcm2835_gpio_irq_handler (8059f7a0)
=> generic_handle_irq (80185c64)
=> bcm2836_chained_handle_irq (80597aac)
=> generic_handle_irq (80185c64)
=> __handle_domain_irq (801863c4)
=> bcm2836_arm_irqchip_handle_irq (80102220)
=> __irq_svc (80101a3c)
=> arch_cpu_idle (80109b18)
=> default_idle_call (808f09a0)
=> do_idle (80158d8c)
=> cpu_startup_entry (801590a8)
=> rest_init (808e9d08)
=> arch_call_rest_init (80c00b68)
=> start_kernel (80c010a0)
=> 0

不管是傳統的 IRQ，還是 threaded IRQ，這兩者上半部的呼叫堆疊大致相同：

觀察：呼叫堆疊 (Threaded IRQ)

<idle>-0     [000]  7222.508310: function:             minirq_top_half
<idle>-0     [000]  7222.508328: kernel_stack:         <stack trace>
=> ftrace_graph_call (801111c4)
=> __handle_irq_event_percpu (80186c78)
=> handle_irq_event_percpu (80186e90)
=> handle_irq_event (80186f38)
=> handle_edge_irq (8018bbc4)
=> generic_handle_irq (80185c64)
=> bcm2835_gpio_irq_handle_bank (8059f6f4)
=> bcm2835_gpio_irq_handler (8059f7a0)
=> generic_handle_irq (80185c64)
=> bcm2836_chained_handle_irq (80597aac)
=> generic_handle_irq (80185c64)
=> __handle_domain_irq (801863c4)
=> bcm2836_arm_irqchip_handle_irq (80102220)
=> __irq_svc (80101a3c)
=> arch_cpu_idle (80109b18)
=> default_idle_call (808f09a0)
=> do_idle (80158d8c)
=> cpu_startup_entry (801590a8)
=> rest_init (808e9d08)
=> arch_call_rest_init (80c00b68)
=> start_kernel (80c010a0)
=> 0

其實也不意外。雖然發展脈絡來說，是先有傳統的 IRQ，再有 threaded IRQ。但實際上不管是 devm_request_irq ，還是 request_irq ，他們其實都是用 threaded IRQ 的版本去實作的。以 request_irq 為例：

static inline int __must_check
request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
	    const char *name, void *dev)
{
	return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);
}

所以會有一樣的呼叫路徑其實一點也不意外。

實驗：ftrace (下半部)

下半部就會有明顯的差別。在原先的 IRQ 中，是在上半部 (也就是 minirq_top_half 函數中)，把一個 struct work_struct 排進全域的 Workqueue 中，所以執行下半部的會是處理 Workqueue 的執行緒; 而 threaded IRQ 的版本中，則是由前面 ps -aux 所看到的，新的 irq/167-minirq 執行緒專門去執行。

觀察：下半部呼叫堆疊 (傳統 IRQ)

可以發現是 worker_thread 在做事情。看起來也很合理，因為這就是在處理 Workqueue 的那個行程：

kworker/0:3-2704  [000]  7169.646820: function:             minirq_bottom_half
kworker/0:3-2704  [000]  7169.646826: kernel_stack:         <stack trace>
=> ftrace_graph_call (801111c4)
=> process_one_work (801413bc)
=> worker_thread (8014173c)
=> kthread (80148aac)
=> ret_from_fork (801010ac)
=> 0

觀察：下半部呼叫堆疊 (Threaded IRQ)

這時可以發現：執行下半部的就是專門的 kernel thread，也就是剛剛在 ps 時所觀察到的，新的執行緒：

irq/167-minirq-2851  [003]  7222.508489: function:             minirq_bottom_half
irq/167-minirq-2851  [003]  7222.508495: kernel_stack:         <stack trace>
=> ftrace_graph_call (801111c4)
=> irq_thread_fn (801881fc)
=> irq_thread (80187fdc)
=> kthread (80148aac)
=> ret_from_fork (801010ac)
=> 0

順帶一提，如果去使用其他 ftrace 的選項，比如：

$ sudo trace-cmd record -p function_graph \
    -e irq_handler_entry

會發現這個執行緒跟原先的執行緒交錯出現的狀況：

...
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217546: funcgraph_entry:                   |                  __up_console_sem.constprop.17() {
       trace-cmd-1193  [003]   283.217547: funcgraph_entry:                   |                            rcu_all_qs() {
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217547: funcgraph_entry:        0.937 us   |                    __printk_safe_enter();
       trace-cmd-1193  [003]   283.217548: funcgraph_exit:         1.718 us   |                            }
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217549: funcgraph_entry:                   |                    up() {
       trace-cmd-1193  [003]   283.217550: funcgraph_exit:         5.208 us   |                          }
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217550: funcgraph_entry:        1.145 us   |                      _raw_spin_lock_irqsave();
       trace-cmd-1193  [003]   283.217552: funcgraph_entry:                   |                          should_failslab() {
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217552: funcgraph_entry:        0.989 us   |                      _raw_spin_unlock_irqrestore();
       trace-cmd-1193  [003]   283.217554: funcgraph_exit:         1.823 us   |                          }
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217554: funcgraph_exit:         5.104 us   |                    }
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217555: funcgraph_entry:                   |                    __printk_safe_exit() {
       trace-cmd-1193  [003]   283.217555: funcgraph_exit:       + 12.187 us  |                        }
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217556: funcgraph_exit:         0.937 us   |                    }
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217557: funcgraph_exit:       + 11.979 us  |                  }
       trace-cmd-1193  [003]   283.217557: funcgraph_entry:                   |                        start_this_handle() {
  irq/167-minirq-1179  [000]   283.217558: funcgraph_entry:                   |                  _raw_spin_lock() {
...

如果是使用這個選項，僅僅數秒就會產生大量資料 (約 100 MB 左右)，也會帶來大幅度的延遲。所以請謹慎實驗。

幕後花絮

如果使用 ply 的話

kprobe:minirq_top_half
{
    @minirq_top_half[stack, arg0] = count();
}
kprobe:minirq_bottom_half
{
    @minitq_bottom_half[stack, arg0] = count();
}

會發現有不同的路徑：

@minirq_top_half:
{ 
+	snd_info_done+45544
+	handle_irq_event_percpu+60
+	handle_irq_event+84
+	handle_edge_irq+204
+	generic_handle_irq+52
+	bcm2835_gpio_irq_handle_bank+148
+	bcm2835_gpio_irq_handler+116
+	generic_handle_irq+52
+	bcm2836_chained_handle_irq+72
+	generic_handle_irq+52
+	__handle_domain_irq+108
+	bcm2836_arm_irqchip_handle_irq+96
	__irq_usr+76
, 167 }: 1
{ 
+	snd_info_done+45544
+	handle_irq_event_percpu+60
+	handle_irq_event+84
+	handle_edge_irq+204
+	generic_handle_irq+52
+	bcm2835_gpio_irq_handle_bank+148
+	bcm2835_gpio_irq_handler+116
+	generic_handle_irq+52
+	bcm2836_chained_handle_irq+72
+	generic_handle_irq+52
+	__handle_domain_irq+108
+	bcm2836_arm_irqchip_handle_irq+96
	__irq_svc+92
	default_idle_call+64
	do_idle+292
	cpu_startup_entry+40
	rest_init+180
	parse_early_param+128
	start_kernel+1212
, 167 }: 69

從 ARM 的文件 可以知道，這是處理不同的 interrupt 進入點。

暴走的 ftrace

一開始我是想使用 irq_handler_exit 這個選項：

$ sudo trace-cmd list -e | grep irq
 irq:softirq_raise
 irq:softirq_exit
 irq:softirq_entry
 irq:irq_handler_exit
 irq:irq_handler_entry
 preemptirq:irq_enable
 preemptirq:irq_disable
 rtc:rtc_alarm_irq_enable
 rtc:rtc_irq_set_state
 rtc:rtc_irq_set_freq

所以本來是用像這樣的指令：

$ sudo trace-cmd record -p function_graph \
    -e irq_handler_entry

不過發現僅僅數秒就會跑出將近 100 MB 的資料，而且非常混亂。所以就決定換成僅用 function 這個 tracer 了。

附錄：完整程式

裝置樹跟昨天的實驗一樣，Makefile 亦同。

傳統 IRQ

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/workqueue.h>

struct minirq_dev {
    struct gpio_desc *gpiod;
    struct work_struct work;
    int irq;
    struct device *dev;
};

void minirq_bottom_half(struct work_struct *work)
{
    struct minirq_dev *minirq;
    minirq = container_of(work, struct minirq_dev, work);
    dev_info(minirq->dev, "Rising edge detected!\n");
    return;
}

static irqreturn_t minirq_top_half(int irq, void *p)
{
    struct platform_device *pdev = p;
    struct minirq_dev *minirq;

    minirq = platform_get_drvdata(pdev);
    schedule_work(&(minirq -> work));
    return IRQ_HANDLED;
}

static int minirq_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device *dev = &(pdev-> dev);
    struct minirq_dev *minirq;
    int ret = 0;

    minirq = devm_kzalloc(dev, sizeof(struct minirq_dev), GFP_KERNEL);
    if (!minirq) {
        dev_err(dev, "Failed to allocate memory.\n");
	    return -ENOMEM;
    }
    platform_set_drvdata(pdev, minirq);
    minirq->dev = dev;

    minirq->gpiod = devm_gpiod_get_index(dev, "minirq", 0, GPIOD_IN);
    if (IS_ERR(minirq->gpiod)) {
        dev_err(dev, "Failed to get gpio descriptor.\n");
        return PTR_ERR(minirq -> gpiod);
    }
    
    ret = gpiod_to_irq(minirq->gpiod);
    if (ret < 0) {
        dev_err(dev, "Failed to get irq from gpiod.\n");
        return ret;
    }
    minirq->irq = ret;

    INIT_WORK(&minirq->work, minirq_bottom_half);

    ret = devm_request_irq(dev, minirq->irq, minirq_top_half, 
            IRQF_TRIGGER_RISING, "minirq", pdev);
    if (ret < 0) {
        dev_err(dev, "Failed to request IRQ.\n");
        return ret;
    }

    return 0;
}

static const struct of_device_id minirq_ids[] = {
    {.compatible = "minirq",},
    {}
};

static struct platform_driver minirq_driver = {
    .driver = {
        .name = "minirq",
	    .of_match_table = minirq_ids,
    },
    .probe = minirq_probe
};
MODULE_LICENSE("GPL");
module_platform_driver(minirq_driver);

Threaded IRQ

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/workqueue.h>

struct minirq_dev {
    struct gpio_desc *gpiod;
    struct work_struct work;
    int irq;
    struct device *dev;
};


static irqreturn_t minirq_top_half(int irq, void *p)
{
    return IRQ_WAKE_THREAD;
}

static irqreturn_t minirq_bottom_half(int irq, void *p)
{
    struct minirq_dev *minirq = p;
    dev_info(minirq->dev, "Rising edge detected!\n");
    return IRQ_HANDLED;
}

static int minirq_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device *dev = &(pdev-> dev);
    struct minirq_dev *minirq;
    int ret = 0;

    minirq = devm_kzalloc(dev, sizeof(struct minirq_dev), GFP_KERNEL);
    if (!minirq) {
        dev_err(dev, "Failed to allocate memory.\n");
	    return -ENOMEM;
    }
    minirq->dev = dev;

    minirq->gpiod = devm_gpiod_get_index(dev, "minirq", 0, GPIOD_IN);
    if (IS_ERR(minirq->gpiod)) {
        dev_err(dev, "Failed to get gpio descriptor.\n");
        return PTR_ERR(minirq -> gpiod);
    }
    
    ret = gpiod_to_irq(minirq->gpiod);
    if (ret < 0) {
        dev_err(dev, "Failed to get irq from gpiod.\n");
        return ret;
    }
    minirq->irq = ret;

    ret = devm_request_threaded_irq(dev, minirq->irq, 
            minirq_top_half, minirq_bottom_half, 
            IRQF_TRIGGER_RISING, "minirq", minirq);
    if (ret < 0) {
        dev_err(dev, "Failed to request IRQ.\n");
        return ret;
    }

    return 0;
}

static const struct of_device_id minirq_ids[] = {
    {.compatible = "minirq",},
    {}
};

static struct platform_driver minirq_driver = {
    .driver = {
        .name = "minirq",
	    .of_match_table = minirq_ids,
    },
    .probe = minirq_probe
};
MODULE_LICENSE("GPL");
module_platform_driver(minirq_driver);

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Day 28：IRQ (Part 2) - 中斷突進！簡單的 IRQ 程式
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  1. 26
    Day 26：IIO (Part 4) - 幫感應器寫驅動程式！以 TCRC5000 為例
  2. 27
    Day 27：IRQ (Part 1) - 斷開魂結！
  3. 28
    Day 28：IRQ (Part 2) - 中斷突進！簡單的 IRQ 程式
  4. 29
    Day 29：IRQ (Part 3) - 這是核心執行緒的味道！Threaded IRQ
  5. 30
    Day 30：賽後感言
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