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

原创已于 2025-07-23 10:44:49 修改 · 476 阅读

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于 2025-07-23 09:00:00 首次发布

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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	是	否	是	除 0，Page Fault	Exception (异常)
异步中断	否	是	是	网卡中断，定时器	Interrupt (中断)
软中断	否	否	否	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 Sync	0x200	system call (svc)
EL0 IRQ	0x280	外设中断
EL1 Sync	0x000	kernel 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]