Linux 中断系统全览解析：从硬件到软件的全路线理解

Linux 中断系统全览解析：从硬件到软件的全路线理解

Linux 中断是进程与硬件进行交互的核心机制之一，在计算机系统中拥有极高的优先级。本文将从硬件启动、设备树描述、内核处理、中断注册、上下文区分等方面全面解析 Linux 中断机制。

---

一、中断硬件原理

中断硬件通常持有以下元素：

• 中断源：如 GPIO、UART、I2C、Timer 等设备
• 中断控制器：包括 GIC、APIC、PLIC 等
• 向 CPU 通知：硬件产生中断后给予 CPU 一个 IRQ编号

硬件中断可能是线程型触发（上升、下降边缘）或者电平型触发（高、低电平），通过中断控制器编码后通知给 Linux 内核。

---

二、设备树中断描述

中断的硬件触发方式和配置在设备树中通过 interrupts 和 interrupt-parent 字段表示：

interrupt-parent = <&gpio1>;
interrupts = <14 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>; // GPIO1_14 下降边缘

基于这个配置，内核会通过 of_irq API 解析成实际中断编号，且与该设备对应。

---

三、Linux 内核中断处理系统结构

主要数据结构

结构	作用
struct irq_desc	每个中断编号对应一个 descriptor
struct irq_chip	控制器相关操作 (mask/unmask/ack)
struct irqaction	中断 handler 绑定信息

主要函数路径

request_threaded_irq()   // 注册中断
    -> __setup_irq()    // 创建 irq_desc, irqaction 等
        -> irq_startup() // 启用硬件 irq

中断触发时，内核进入:

do_IRQ() → generic_handle_irq() → handle_irq_event()
         → handler function (driver 注册的)

---

四、中断处理方式

Linux 支持两种处理模式：

方式 1：传统 top-half + bottom-half

• Top-half：即被触发中断时首先执行的函数，运行在硬中断上下文，负责简单、快速操作，如释放 spinlock、记录事件、传递数据等。
• Bottom-half：将耗时操作延后，通常通过 softirq、tasklet、workqueue 来实现，允许睡眠、延时执行，可以在进程或内核线程中运行。

方式 2：线程化中断 (Threaded IRQ)

devm_request_threaded_irq(irq, NULL, thread_fn, IRQF_ONESHOT, ...);

• 不使用 top-half，直接通过内核线程执行 thread_fn
• 允许睡眠，适合 I2C 等慢速应答设备
• 常配合 IRQF_ONESHOT，确保当前线程未处理完成前，不会再次触发中断

---

五、中断下半段的分类与处理

1. 软中断 (SoftIRQ)

• 最低层、最高优先级的下半段机制
• 在硬中断运行完后、还未返回时执行
• 通常依赖在能够进入内核的进程上，例如 ksoftirqd
• 其中最常用的是 NET_RX_SOFTIRQ、TIMER_SOFTIRQ、BLOCK_SOFTIRQ

2. tasklet

• 基于 softirq 实现，但是较高级。
• 同一个 tasklet 无法并行，自带不可重入性
• API 如：tasklet_schedule()，tasklet_disable()

3. workqueue

• 最适合长时间操作的下半段
• 允许睡眠，在内核线程中执行
• 可选择使用全局 workqueue ，或者自定义 workqueue

下半段选择指南

场景	选择
需要最小延迟	softirq
需要不可并行	tasklet
需要睡眠/长时间	workqueue
I2C/微线接口	workqueue / threaded IRQ

---

六、中断常用接口 API

注册/取消

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, ...);
int devm_request_threaded_irq(...);
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

操控

void enable_irq(unsigned int irq);
void disable_irq(unsigned int irq);
void irq_set_irq_type(unsigned int irq, unsigned int type);

---

七、中断标志使用

标志	含义
IRQF_TRIGGER_RISING	上升边缘触发
IRQF_TRIGGER_FALLING	下降边缘触发
IRQF_ONESHOT	线程化中断时要求处理完成前不再次触发
IRQF_SHARED	允许多设备共享同一中断口
IRQF_NO_AUTOEN	注册后不自动 enable，需手动 enable_irq

---

八、总结

Linux 中断系统是硬件和内核互动的基石，通过标准化的接口、动态分配、密切的上下文处理，极大程度地实现了弹性、可靠、可扩展。同时，中断的各级处理机制（top-half, softirq, tasklet, workqueue, threaded irq）结构了一套高效、安全、应对应用场景的处理模型。