IRQ 스레드는 언제 생성할까?

IRQ 스레드를 생성하기 위해서는 request_threaded_irq() 함수를 호출하면 됩니다. 
IRQ 스레드를 생성하는 흐름도는 다음과 같습니다. 










request_threaded_irq() 함수를 호출하면 다음 동작을 수행합니다.
 - 전달한 IRQ 스레드 정보를 인터럽트 컨택스트에 설정
 - kthread_create() 함수를 호출해서 IRQ 스레드 생성

kthread_create() 함수는 kthread_create_on_node() 함수로 치환됩니다. 위 그림에서 이해를 돕기 위해 kthread_create() 함수를 호출하면 kthread_create_on_node() 함수를 호출하는 것처럼 표시했습니다.

우리는 커널 쓰레드를 생성할 때 kthread_create() 함수를 호출한다고 배웠습니다. IRQ 스레드도 이 kthread_create() 함수를 호출해서 생성합니다. IRQ 스레드도 커널 스레드의 한 종류입니다. 

request_threaded_irq() 함수부터 __kthread_create_on_node() 함수까지 IRQ 스레드 어떤 방식으로 생성하는지 코드를 분석하겠습니다.
 
먼저 우선 인터럽트 핸들러를 설정하는 코드를 확인할 필요가 있습니다. 어떤 인터럽트 핸들러를 설정하는 코드를 봐야 할까요? 당연히 IRQ 스레드를 생성하는 인터럽트 핸들러 코드를 봐야합니다.

이전 소절에서 확인했듯이 라즈베리파이에서는 "irq/92-mmc1" IRQ Thread를 확인할 수 있습니다. 
root@raspberrypi:/home/pi/dev_raspberrian# ps –ely | grep irq
S   UID   PID  PPID  C PRI  NI   RSS    SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
S     0    65     2  0   9   -     0     0 irq_th ?        00:00:00 irq/92-mmc1

IRQ 스레드는 어떤 자료구조에서 관리할까요?
정답은 인터럽트 디스크립터입니다. IRQ 스레드 핸들러와 관련 필드 정보를 관리합니다.

인터럽트 디스크립터는 인터럽트 세부 속성과 IRQ 스레드 정보까지 저장합니다.

IRQ 스레드를 생성하기 위해서 request_threaded_irq() 함수를 호출해야 합니다.
함수 선언부와 인자를 소개합니다.
extern int __must_check
request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
     irq_handler_t thread_fn,
     unsigned long flags, const char *name, void *dev);

request_threaded_irq() 함수에 전달되는 인자들은 다음과 같습니다.

unsigned int  irq: 인터럽트 번호
irq_handler_t   handler: 인터럽트 핸들러 주소
irq_handler_t   thread_fn: IRQ 스레드 핸들 함수 주소
unsigned long  flags: 인터럽터 핸들링 플래그
const char   name: 인터럽트 이름

request_threaded_irq() 함수는 동작은 2단계로 나눌 수 있습니다.

1 단계: 인터럽트 디스크립터 설정
requested_threaded_irq() 함수에 전달된 인자를 인터럽트 디스크립터 필드에
저장합니다.

2 단계: IRQ 스레드 생성
irq_handler_t thread_fn 인자가 IRQ 스레드 핸들 주소를 저장하면 IRQ 스레드를 생성합니다.

request_threaded_irq() 함수 분석
IRQ 스레드 생성 단계에 대해 소개했으니 이제 코드 분석으로 넘어갑시다.
request_threaded_irq() 함수 코드를 소개합니다.
1 int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
2   irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,
3   const char *devname, void *dev_id)
4 {
5  struct irqaction *action;
6  struct irq_desc *desc;
7  int retval;
...
8 action = kzalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_KERNEL);
9 if (!action)
10 return -ENOMEM;
...
11  action->handler = handler;
12  action->thread_fn = thread_fn;  
13  action->flags = irqflags;
14  action->name = devname;
15  action->dev_id = dev_id;
16 
17  chip_bus_lock(desc);
18  retval = __setup_irq(irq, desc, action);  

먼저 8~10 번째 줄 코드를 봅시다.
8 action = kzalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_KERNEL);
9 if (!action)
10 return -ENOMEM;

struct irqaction 타입인 action 지역 변수에 struct irqaction 구조체 크기만큼 동적 메모리를 할당합니다. 

action란 포인터 타입 지역 변수의 타입은 struct irqaction 구조체입니다. 이 변수는 8번째 줄 코드와 같이 메모리 할당을 받은 다음에 9번째와 13번째 줄 코드와 같이 인터럽트 핸들러와 IRQ 스레드 핸들러 정보를 저장합니다. 이 변수는 나중에 인터럽트 디스크립터의 action 필드에 저장됩니다. 

만약 메모리를 할당 못하면 10 번째 줄 코드을 실행해 –ENOMEM 매크로를 반환하며 함수 실행을 종료합니다.

다음에 볼 11~15 번째 줄 코드는 인자를 action 필드에 저장하는 동작입니다.
11  action->handler = handler;
12  action->thread_fn = thread_fn;  
13  action->flags = irqflags;
14  action->name = devname;
15  action->dev_id = dev_id;

특히 12 번째 줄 코드를 보면 IRQ 스레드 핸들 함수 주소를 저장하고 있는 thread_fn 포인터를 action->thread_fn에 저장합니다.

struct irqaction 타입 action 변수는 해당 인터럽트 디스크립터에 저장됩니다.
Trace32로 확인한 인터럽트 디스크립터 자료 구조는 다음과 같습니다.
1 (struct irq_desc *) (struct irq_desc*)0xB008B300
...
2    (struct irqaction *) action = 0xBB4E6E40  
3      (irq_handler_t) handler = 0x8061EC00 = bcm2835_mmc_irq, /* 인터럽트 핸들러 */
4      (void *) dev_id = 0xBB47B010  /* 인터럽트 핸들러 핸들
5      (void *) percpu_dev_id = 0x0 = ,
6      (struct irqaction *) next = 0x0 = ,
7      (irq_handler_t) thread_fn = 0x8061DCC4 = bcm2835_mmc_thread_irq, /* IRQ Thread 핸들러 */
8      (struct task_struct *) thread = 0xBB516CC0 /* “irq/92-mmc1” IRQ 스레드의 태스크 디스크립터 */
9      (struct irqaction *) secondary = 0x0 = ,
10      (unsigned int) irq = 92, /* 인터럽트 번호 */

위 인터럽트 디스크립터는 라즈베리파이 92번 인터럽트를 관리하는 IRQ 스레드를 설정 정보를 포함합니다. 각각 필드에 대한 설명은 주석문을 참고하시기 바랍니다.

다음 18번째 줄 코드를 보면 __setup_irq() 함수를 호출합니다.
16  retval = __setup_irq(irq, desc, action);

여기까지는 인터럽트 핸들러를 등록하는 실행 흐름과 똑같습니다. 그런데 __setup_irq() 함수 코드를 조금 더 살펴보면 Thread 스레드로 설정할 때만 동작하는 코드를 볼 수 있습니다. 

__setup_irq() 함수 분석
이어서 __setup_irq() 코드를 같이 분석해 봅시다.
1 static int
2 __setup_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc, struct irqaction *new)
3 {
4 struct irqaction *old, **old_ptr;
5 unsigned long flags, thread_mask = 0;
...
6 nested = irq_settings_is_nested_thread(desc);
...
7 if (new->thread_fn && !nested) {  
8 ret = setup_irq_thread(new, irq, false);
9 if (ret)
10 goto out_mput;

우선 __setup_irq 함수에 전달되는 파라미터는 아래와 같습니다.
irq: 인터럽트 번호
desc: 인터럽트 디스크립터
new: 인터럽트 디스크립터의 action 멤버(struct irq_desc->action)

__setup_irq() 함수는 IRQ 스레드 핸들 함수가 등록됐는지 점검한 후 등록이 됐으면 setup_irq_thread() 함수를 호출해서 IRQ 스래드를 생성합니다.

먼저 6 번째 줄 코드를 봅시다. 
6 if (new->thread_fn && !nested) {  
7 ret = setup_irq_thread(new, irq, false);

이 코드는 두 가지 조건을 점검합니다.  struct irqaction 타입인 new->thead_fn 필드에 함수 포인터가 등록됐거나 nested 변수가 0일 때 setup_irq_thread() 함수를 호출합니다. 

nested 변수는 현재 설정하는 IRQ 스레드가 nested 타입인지 점검합니다. 이 기능을 쓸 경우 nested 변수가 1이 됩니다. nested 변수를 읽어 오는 다음 코드를 눈여겨봅시다.
6 nested = irq_settings_is_nested_thread(desc);

여기서 new->thead_fn 로 IRQ 스레드 핸들러 함수가 등록됐고 nested 변수가 0이면 7번째 줄 코드가 실행됩니다.

setup_irq_thread() 함수 분석 

이어서 IRQ 스레드를 생성 역할을 수행하는 setup_irq_thread() 함수를 분석하겠습니다.
1 static int
2 setup_irq_thread(struct irqaction *new, unsigned int irq, bool secondary)
3 {
4 struct task_struct *t;
5 struct sched_param param = {
6 .sched_priority = MAX_USER_RT_PRIO/2,
7 };
8
9 if (!secondary) {
10 t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-%s", irq,   
11    new->name);
12 } else {
13 t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-s-%s", irq,
14    new->name);
15 param.sched_priority -= 1;
16 }

위 코드를 보면 특별한 동작을 수행하지 않습니다. kthread_create() 함수를 호출해서 커널 스레드를 생성합니다. 이 코드로 IRQ 스레드도 커널 스레드의 한 종류라고 말할 수 있겠습니다.


커널 스레드는 커널 공간에서만 실행하는 프로세스입니다. 
유저 공간과 시스템 콜로 통신하지 않고 배경 작업으로 커널 리소스를 관리하는 역할을 수행합니다.

커널에는 다양한 커널 스레드를 볼 수 있습니다.
커널 서브 시스템이나 드라이버 목적에 맞는 커널 스레드를 생성할 수 있는 것입니다.
워크큐를 실행하는 스레드를 워커 스레드, 메모리가 부족할 때 kswapd 스레드 그리고 Soft IRQ 후반부 처리용 ksoftirqd 스레드를 예를 들 수 있습니다.

IRQ 스레드로 여러 커널 스레드 중 하나입니다.


먼저 10번째 줄 코드를 보겠습니다. irq_thread() 이란 IRQ 스레드를 제어하는 함수와 함께 "irq/%d-%s"란 이름으로 IRQ Thread를 생성합니다. 
9 t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-%s", irq,   
10    new->name);

kthread_create() 함수를 호출할 때 다음과 같은 인자를 지정합니다.
   - irq_thread: IRQ 스레드 핸들 함수
   - new: IRQ 스레드 핸들 매개 인자(struct irqaction)
   - "irq/%d-%s": IRQ 스레드 이름 타입
   - irq: 인터럽트 번호
   - new->name: 인터럽트 이름 

kthread_create() 함수에 전달하는 두 번째 파라미터인 new는 스레드 핸들 함수로 전달되는 매개 인자입니다. 이 매개 인자는 struct irqaction 구조체 타입입니다.

IRQ 스레드의 스레드 핸들인 irq_thread() 함수 코드를 보면서 매개 인자 처리 방식에 대해 조금 더 살펴보겠습니다.
1 static int irq_thread(void *data)
2 {
3 struct callback_head on_exit_work;
4 struct irqaction *action = data;

우리는 커널 쓰레드를 생성하면 커널 스레드드 핸들 함수에서 무한 루프를 돌면서 스레드 목적에 맞는 동작을 수행합니다.  그런데 IRQ 스레드는 irq_thread() 함수가 이 역할을 수행합니다. 

IRQ 스레드가 실행할 때 irq_thread() 함수가 실행하는데 함수 인자로 void 타입 data 포인터를 전달합니다. 위 irq_thread() 함수 4 번째 줄 코드를 눈여겨보면 이 포인터를 struct irqaction * 타입으로 캐스팅합니다.

이 과정을 다음 다이어그램으로 정리할 수 있습니다.

이제 IRQ 스레드를 생성하는 함수 흐름을 알아봤으니 IRQ 스레드를 생성하는 예제 코드를 살펴보겠습니다. 
[drivers/mmc/host/bcm2835-mmc.c]
1 static int bcm2835_mmc_add_host(struct bcm2835_host *host)
2 {
3 struct mmc_host *mmc = host->mmc;
4 struct device *dev = mmc->parent;
...
5 bcm2835_mmc_init(host, 0);
6 ret = devm_request_threaded_irq(dev, host->irq, bcm2835_mmc_irq,
7 bcm2835_mmc_thread_irq, IRQF_SHARED,
8 mmc_hostname(mmc), host); 

bcm2835_mmc_add_host() 함수에서 라즈베리파이에서 92번 인터럽트 핸들러와 해당 IRQ Thread를 설정하는 코드를 볼 수 있습니다.

위 코드를 보면 request_threaded_irq() 함수 대신 devm_request_threaded_irq() 함수를 써서 IRQ 스레드를 설정합니다. 함수 이름이 다르니 다른 동작을 하는 함수로 보입니다. 하지만 devm_request_threaded_irq() 함수를 열어 보면 request_threaded_irq() 함수를 호출합니다.
1 int devm_request_threaded_irq(struct device *dev, unsigned int irq,
2       irq_handler_t handler, irq_handler_t thread_fn,
3       unsigned long irqflags, const char *devname,
4       void *dev_id)
5 {
6 struct irq_devres *dr;
7 int rc;
8
...
9
10 rc = request_threaded_irq(irq, handler, thread_fn, irqflags, devname,
11   dev_id);

devm_request_threaded_irq() 함수는 인터럽트 설정 정보를 디바이스 드라이버에서 체계적으로 관리하는 동작 이외에 request_threaded_irq() 함수와 같은 역할을 수행합니다. IRQ 스레드 관점으로 devm_request_threaded_irq() 함수를 호출하면 request_threaded_irq() 함수가 실행된다고 봐도 무방합니다.

아래 코드에서 devm_request_threaded_irq() 함수에서 호출하는 request_threaded_irq() 함수는 어디서 많이 본 함수 같지 않나요? 맞습니다. 인터럽트 핸들러를 등록할 때 호출하는 request_irq() 함수에서 request_threaded_irq() 함수를 호출했습니다.  5장에서 본 다음 자료 구조를 떠 올립시다.
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);
}

이번에 request_threaded_irq() 함수에 전달하는 인자가 약간 다른 것 같습니다.
6 ret = devm_request_threaded_irq(dev, host->irq, bcm2835_mmc_irq,
7 bcm2835_mmc_thread_irq, IRQF_SHARED,
8 mmc_hostname(mmc), host); 

6번째 줄을 보면 bcm2835_mmc_irq() 함수를 인터럽트 핸들러로 등록합니다. 이 함수는 92번 “mmc1” 인터럽트가 발생하면 호출되는 함수입니다. 

7번째 줄 코드를 보면 request_threaded_irq() 함수 세 번째 인자로 bcm2835_mmc_thread_irq() 함수를 전달합니다. 이 함수를 IRQ Thread 핸들러라고 합니다. IRQ Thread가 실행될 때 호출되는 핸들러 함수입니다.  

조금 더 이해를 돕기 위해 request_threaded_irq() 함수의 선언부를 보면 세 번째 인자로 irq_handler_t thread_fn가 선언돼 있습니다. 두 번째 인자는 인터럽트 핸들러 함수입니다.
[include/linux/interrupt.h]
extern int __must_check
request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
     irq_handler_t thread_fn,
     unsigned long flags, const char *name, void *dev);

thread_fn 이란 함수 포인터에 bcm2835_mmc_thread_irq() 이란 IRQ Thread 핸들러 함수를 등록하는 것입니다.

이를 알기 쉬운 코드 형식으로 표현하면 아래와 같이 각각 인자를 다음과 같이 등록합니다.
인터럽트 번호: irq = host->irq
인터럽트 핸들러:  handler = bcm2835_mmc_irq
IRQ Thread 핸들러: thread_fn = bcm2835_mmc_thread_irq

인터럽트가 발생했을 때 인터럽트 컨택스트에서 수행하는 인터럽트 핸들러는 bcm2835_mmc_irq() 함수이고 “irq/92-mmc1” IRQ Thread에서 실행하는 핸들러 함수는 bcm2835_mmc_thread_irq() 함수인 것입니다. 

다음은 IRQ 스레드를 생성하는 코드를 보면서 92번 인터럽트에 대한 IRQ 스레드 이름을 어떤 규칙으로 생성하는지 알아봅시다.
1 static int
2 setup_irq_thread(struct irqaction *new, unsigned int irq, bool secondary)
3 {
4 struct task_struct *t;
5 struct sched_param param = {
6 .sched_priority = MAX_USER_RT_PRIO/2,
7 };
8
9 if (!secondary) {
10 t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-%s", irq,   
11    new->name);
12 } else {
13 t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-s-%s", irq,
14    new->name);
15 param.sched_priority -= 1;
16 }


이 정보를 참고하면 “irq=92 name=mmc1” 인터럽트의 IRQ 스레드 이름은 “irq/92-mmc1”라는 점을 유추할 수 있습니다. 

“irq/92-mmc1” IRQ 스레드는 언제 실행될까요? 이 내용은 다음 소절에서 자세히 다룰 예정인데, 92번 인터럽트가 발생하면 호출되는 인터럽트 핸들러가 IRQ 스레드 실행 여부를 결정합니다. 만약 92번 인터럽트가 발생하지 않으면 IRQ 스레드는 실행하지 않습니다.
 


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