高性能Linux中断全解析:开发者必备的系统、设备树和代码全套理解


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高性能Linux中断全解析:开发者必备的系统、设备树和代码全套理解

在嵌入式或内核开发中,我们经常遇到“中断”和“异常”这两个词。很多人初学时会问:它们有什么区别?它们怎么触发?和驱动开发有何关系?

从架构上看:

  • 异常(Exception) 是 CPU 在执行指令时检测到问题(如非法访问、除以 0、缺页、系统调用等)而主动触发的机制,属于同步事件
  • 中断(Interrupt) 则是来自外部硬件(如定时器、网卡、串口等)异步打断 CPU 的运行流程,属于异步事件

它们虽然名字不同,但在 CPU 层面统一走异常向量机制,统一通过跳转到异常向量表指定的入口进行处理。而 Linux 内核也在此基础上做了完整封装,包括上半部处理、下半部调度、中断控制器抽象、设备树中断描述等模块。

理解这些基础,将帮助我们彻底掌握驱动中断处理、性能优化、调试分析的本质原理。

一些初学者对“中断、异常、上下文、终端、设备树”等概念感到混淆,实际上Linux很系统地封装了这些组织。本文给出一套完整、清晰、可培备的内核中断解析。


在这里插入图片描述

一、中断、异常:标准定义整理

概念是否同步是否来自外设是否通过异常向量示例分类
同步异常除 0,Page FaultException (异常)
异步中断网卡中断,定时器Interrupt (中断)
软中断net_rx_action内核设计机制

【记忆口词:“异常是CPU自己出错,中断是别人打扰。同步是挂在自己脚上的队列,异步是不知不见的打中。”】


二、中断上下文是啥?上半部/下半部处理

名称解释
中断上下文CPU 正处于中断处理的环境,不允许睡眠、不允许调度
上半部IRQ handler,简单带走,引发软中断
下半部SoftIRQ / Tasklet / Workqueue 一系列延迟处理机制

流程图:Linux 中断处理全链路

外设中断信号 → [GIC/APIC] → [do_IRQ()]
    → IRQ Handler (e1000_intr)
        → raise_softirq(NET_RX)
            → do_softirq()
                → net_rx_action()

三、如何判断是否处于中断上下文?

函数作用
in_interrupt()判断是否处于中断上下文
in_irq()是否处于硬中断上下文
in_softirq()是否处于 SoftIRQ 上下文
in_task()是否处于进程上下文 (允许睡眠)

四、异常向量:Exception 和 Interrupt 公用地址表

  • CPU 给出 VBAR_ELx 系列定义异常向量基地址
  • Exception 和 IRQ/FIQ 其实共用同一异常向量机制

ARMv8 举例:

异常类型偏移示例
EL0 Sync0x200system call (svc)
EL0 IRQ0x280外设中断
EL1 Sync0x000kernel fault, undefined instr

五、中断控制器和设备树配置

1. 中断控制器是 SoC 硬件模块

  • ARM 经常是 GIC (Generic Interrupt Controller)
  • RISC-V 是 PLIC

2. 设备树配置中断通道

interrupt-controller@38800000 {
    compatible = "arm,gic-400";
    reg = <0x38800000 0x1000>,
          <0x38810000 0x1000>;
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <3>;
};

该节点声明:这是一个 GIC 类型的中断控制器,使用 <3> 表示子设备使用中断时,需要 3 个单元描述一个中断:

  • 第1项:中断类型(如 GIC_SPI = 0)
  • 第2项:中断号(如 122)
  • 第3项:触发类型(如 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH = 4)

设备节点中通过 interrupt-parent 关联该中断控制器,并指定中断号:

ethernet@5b000000 {
    interrupt-parent = <&gic>;
    interrupts = <GIC_SPI 122 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
};

✅ 表示该以太网设备使用 GIC 控制器的 SPI 类型第 122 号中断,采用高电平触发。

如果设备有多个中断源,也可以写多个中断元组:

interrupts = <GIC_SPI 122 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
             <GIC_SPI 123 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;

设备树 → 中断控制器 → 内核解析 → request_irq → 驱动处理函数,一条链条完全连接。


六、实战示例:IRQ 处理函数全链路

1. 注册 IRQ

request_irq(122, my_irq_handler, 0, "my_eth", NULL);

2. 处理函数

static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    pr_info("IRQ %d received\n", irq);
    /* 发起软中断 */
    raise_softirq(NET_RX_SOFTIRQ);
    return IRQ_HANDLED;
}

3. 软中断处理

static void net_rx_action(struct softirq_action *a)
{
    /* 处理网络数据包 */
}

七、总结记忆图:异常和中断规范结构

                 Exception (异常)
                /                     \
      Synchronous Exception     Asynchronous Exception
        (系统调用、除 0)       (外设 IRQ中断)

                            |
                         异常向量
                            |
                    [调用异常处理函数]
                            |
                [触发 SoftIRQ/下半部]
                            |
                 [net_rx_action / workqueue]

结言

解决中断、异常、上下文、硬软分层等概念混淆,必须理清三者分别:

  • 异常 (Exception):包括 系统调用、PageFault,由指令触发
  • 中断 (Interrupt):外设硬件打断,是异步异常
  • 软中断:内核框架下半部,非 CPU 异常系统

通过设备树 + GIC 硬件 + Linux IRQ 进入热点实战,方可真正理解 Linux 高性能应用中断细节。


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