Linux内核 -- ARM指定CPU运行逻辑之smp_call_function_single函数

smp_call_function_single 在 ARM 上的使用方法与实现

1. 作用

smp_call_function_single 函数在 Linux 内核中用于在特定 CPU 上执行一个函数。该函数主要用于在多处理器（SMP，Symmetric Multiprocessing）环境下，协调多个 CPU 之间的操作。

2. 用法

函数原型如下：

int smp_call_function_single(int cpu, smp_call_func_t func, void *info, int wait);

• cpu：目标 CPU 的 ID，表示在该 CPU 上执行函数。
• func：要执行的函数，该函数的原型为 void func(void *info)。
• info：传递给函数 func 的参数。
• wait：是否等待函数执行完成。若为 1，则调用线程会等待直到 func 执行完成；若为 0，则调用线程不会等待。

示例代码：

void my_function(void *info) {
    // 具体的处理逻辑
    printk(KERN_INFO "Running on CPU: %d\n", smp_processor_id());
}

void example_usage(void) {
    int target_cpu = 2; // 目标 CPU
    int wait = 1;       // 等待执行完成
    void *info = NULL;  // 传递给函数的参数

    smp_call_function_single(target_cpu, my_function, info, wait);
}

3. 实现原理

smp_call_function_single 的实现涉及到内核的跨 CPU 通信机制。其主要原理包括：

1. IPI（Inter-Processor Interrupt）：函数调用通过发送 IPI 来通知目标 CPU 执行特定的任务。IPI 是一种 CPU 间中断，用于在多处理器系统中发送中断信号。
2. 队列管理：内核维护了一个函数调用的队列，当接收到 IPI 时，目标 CPU 会从队列中取出任务并执行。
3. 同步机制：如果调用线程设置了 wait 标志，则需要同步目标 CPU 的任务执行完成情况。通常通过等待队列或自旋锁实现。
4. 执行环境：被调用的函数在目标 CPU 的中断上下文中执行，因此需要注意避免长时间运行或阻塞操作。

4. 注意事项

• 函数执行时间：由于目标 CPU 的函数是在中断上下文中执行的，因此应尽量避免长时间运行，以防止阻塞其他中断处理。
• 同步问题：如果设置 wait 标志，需要确保同步机制正确，避免死锁或竞态条件。
• CPU ID 有效性：调用时应确保指定的 CPU ID 有效，且目标 CPU 处于在线状态，否则可能导致函数调用失败。
• 中断安全性：在多处理器环境下，应确保函数调用的线程安全性，避免并发访问引起的数据一致性问题。

5. ARMv7 上的实现原理及方法

在 ARMv7 架构上，多核处理器之间的通信主要通过 IPI（Inter-Processor Interrupt）来实现。ARMv7 提供了 GIC（Generic Interrupt Controller）来管理中断，包括 IPI。

实现原理

1. IPI 发送：调用 smp_call_function_single 时，当前 CPU 会通过 GIC 发送 IPI 给目标 CPU。
2. 中断处理：目标 CPU 收到 IPI 后，会触发中断处理例程。
3. 函数执行：在中断处理例程中，目标 CPU 会从队列中取出要执行的函数，并执行该函数。
4. 同步机制：如果调用线程需要等待函数执行完成，则会通过等待队列或自旋锁进行同步。

方法

在 ARMv7 内核代码中，涉及到以下关键步骤：

1. 定义 IPI 中断处理程序：

   static irqreturn_t handle_IPI(int irq, void *dev_id) {
       // 处理 IPI，执行函数
       smp_call_function_interrupt();
       return IRQ_HANDLED;
   }
   

2. 注册 IPI 中断处理程序：

   void __init set_smp_ipi_handler(void) {
       // 注册 IPI 中断处理程序
       request_irq(IRQ_CPU_IPI, handle_IPI, 0, "IPI", NULL);
   }
   

3. 发送 IPI：

   void arch_send_call_function_single_ipi(int cpu) {
       // 通过 GIC 发送 IPI 给目标 CPU
       gic_send_sgi(IRQ_CPU_IPI, cpu_logical_map(cpu));
   }
   

4. 调用函数：

   int smp_call_function_single(int cpu, smp_call_func_t func, void *info, int wait) {
       // 省略参数检查代码...
   
       // 构造任务数据结构
       struct call_single_data_t csd;
       csd.func = func;
       csd.info = info;
   
       // 发送 IPI 给目标 CPU
       arch_send_call_function_single_ipi(cpu);
   
       // 如果需要等待，则阻塞直到任务执行完成
       if (wait)
           wait_for_completion(&csd.done);
   
       return 0;
   }
   

6. ARMv8 上的实现原理及方法

在 ARMv8 架构上，GIC 也被用来管理中断和 IPI。ARMv8 在架构上与 ARMv7 有许多相似之处，但也引入了一些新的特性和改进。

实现原理

ARMv8 的实现原理与 ARMv7 类似，仍然是通过 GIC 发送 IPI 给目标 CPU，目标 CPU 触发中断处理程序，执行指定的函数。主要区别在于 ARMv8 引入了一些新的中断管理和处理机制，提升了效率和灵活性。

方法

在 ARMv8 内核代码中，具体实现步骤与 ARMv7 类似，以下是关键步骤的简要说明：

1. 定义 IPI 中断处理程序：

   static irqreturn_t handle_IPI(int irq, void *dev_id) {
       // 处理 IPI，执行函数
       smp_call_function_interrupt();
       return IRQ_HANDLED;
   }
   

2. 注册 IPI 中断处理程序：

   void __init set_smp_ipi_handler(void) {
       // 注册 IPI 中断处理程序
       request_irq(IRQ_CPU_IPI, handle_IPI, 0, "IPI", NULL);
   }
   

3. 发送 IPI：

   void arch_send_call_function_single_ipi(int cpu) {
       // 通过 GIC 发送 IPI 给目标 CPU
       gic_send_sgi(IRQ_CPU_IPI, cpu_logical_map(cpu));
   }
   

4. 调用函数：

   int smp_call_function_single(int cpu, smp_call_func_t func, void *info, int wait) {
       // 省略参数检查代码...
   
       // 构造任务数据结构
       struct call_single_data_t csd;
       csd.func = func;
       csd.info = info;
   
       // 发送 IPI 给目标 CPU
       arch_send_call_function_single_ipi(cpu);
   
       // 如果需要等待，则阻塞直到任务执行完成
       if (wait)
           wait_for_completion(&csd.done);
   
       return 0;
   }
   

7. 注意事项

1. 中断处理时间：在中断处理程序中执行的函数应尽量简短，避免长时间运行，以防止阻塞其他中断处理。
2. 同步机制：确保同步机制的正确性，避免死锁或竞态条件。
3. CPU ID 有效性：调用时应确保指定的 CPU ID 有效，且目标 CPU 处于在线状态。
4. 内存屏障：在多核环境下，确保内存操作的顺序性，避免数据一致性问题。

通过上述介绍，我们可以看出，在 ARMv7 和 ARMv8 上实现 smp_call_function_single 的基本原理是相似的，都是通过 IPI 实现跨 CPU 的函数调用。但在具体实现中，需要根据不同架构的特点进行相应的调整和优化。