2. Linux 中断子系统架构：中断控制器（GIC）、中断描述符、中断处理流程概述

中断子系统是 Linux 内核响应外部异步事件的基石。在 ARM 多核处理器平台上，中断控制器（Generic Interrupt Controller, GIC）负责收集、优先级排序和分发中断信号；内核通过中断描述符（irq_desc）将硬件中断号映射到软件处理逻辑；整个处理流程分为上半部（硬中断）和下半部（软中断/tasklet）。本章从架构层面拆解这三个核心要素。

2.1 中断控制器（GIC）

GIC 是 ARM 架构的标准中断控制器，负责接收外设中断信号，按优先级排序后分发到指定的 CPU 核心。Linux 内核通过 drivers/irqchip/ 下的驱动对 GIC 进行初始化与配置。

2.1.1 GIC 版本与特性对比

2.1.2 GIC 中断类型

• SGI（Software Generated Interrupt）：软件触发的中断，用于核间通信（IPI），中断号 0~15。
• PPI（Private Peripheral Interrupt）：私有外设中断，每个 CPU 核心独享，中断号 16~31。
• SPI（Shared Peripheral Interrupt）：共享外设中断，可路由到任意 CPU 核心，中断号 32~1019（GICv2）。
• LPI（Locality-specific Peripheral Interrupt）：基于消息的中断，通过 ITS（Interrupt Translation Service）路由，中断号 8192 起。

2.2 中断描述符（irq_desc）

内核使用 struct irq_desc 描述每个中断源。该结构体是中断子系统的核心抽象，连接硬件中断号与软件处理函数。

2.2.1 irq_desc 关键字段

2.2.2 中断号映射流程

1. 硬件中断号（hwirq）：由 GIC 或设备树指定，如 SPI 32 对应 hwirq 32。
2. Linux 中断号（irq）：通过 irq_domain 将 hwirq 映射到全局 irq 号。
3. irq_desc 查找：内核通过 irq_to_desc(irq) 获取对应的 irq_desc。
4. action 链表遍历：中断触发时，遍历 irq_desc->action 链表，执行注册的 handler。

2.3 中断处理流程概述

Linux 中断处理分为上半部（硬中断上下文）和下半部（软中断上下文）。上半部要求快速完成，下半部处理耗时任务。

2.3.1 完整处理流程

1. 硬件阶段：外设拉高中断线，GIC 仲裁后向指定 CPU 发送 IRQ 信号。
2. 异常向量：CPU 跳转到 vectors 表中的 IRQ 入口（如 el1_irq）。
3. 内核 entry：保存上下文，调用 handle_arch_irq（GIC 注册的中断处理入口）。
4. GIC 处理：gic_handle_irq 读取 GICC_IAR 获取中断号，调用 handle_domain_irq。
5. 通用中断层：__handle_domain_irq 查找 irq_desc，调用 irq_desc->handle_irq（如 handle_fasteoi_irq）。
6. 执行 handler：遍历 action 链表，执行驱动注册的 irq_handler_t。
7. 标记软中断：handler 返回 IRQ_WAKE_THREAD 或通过 tasklet_schedule 触发下半部。
8. 退出异常：恢复上下文，返回被中断的进程。
9. 下半部执行：在 do_softirq 或 ksoftirqd 中执行 tasklet/softirq。

2.3.2 上下半部分工对比

2.4 中断子系统架构总览（SVG）

下图展示了从外设触发中断到下半部执行的完整架构，包含 GIC、irq_desc、上下半部处理路径。

2.5 关键数据结构关系（SVG）

中断子系统的核心数据结构包括 irq_desc、irq_data、irq_chip、irqaction 和 irq_domain。下图展示了它们之间的引用关系。

2.6 中断处理流程代码示例

以下代码展示了一个典型的中断驱动注册流程，包含上半部 handler 和 tasklet 下半部。

#include <linux/module.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio.h>

#define GPIO_IRQ_NUM  32   /* 假设 SPI 32 号中断 */

static struct tasklet_struct my_tasklet;

/* 下半部 tasklet 处理函数 */
static void my_tasklet_handler(unsigned long data)
{
    printk(KERN_INFO "tasklet: 处理中断下半部, data=%lu\n", data);
    /* 执行耗时操作：数据解析、协议处理等 */
}

/* 上半部中断处理函数 */
static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    printk(KERN_INFO "上半部: 中断 %d 触发\n", irq);
    
    /* 清除硬件中断标志（由芯片相关操作完成） */
    
    /* 调度 tasklet 执行下半部 */
    tasklet_schedule(&my_tasklet);
    
    return IRQ_HANDLED;
}

static int __init my_driver_init(void)
{
    int ret;
    
    /* 初始化 tasklet */
    tasklet_init(&my_tasklet, my_tasklet_handler, 0);
    
    /* 注册中断 */
    ret = request_irq(GPIO_IRQ_NUM, my_irq_handler,
                      IRQF_TRIGGER_RISING, "my_device", NULL);
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "request_irq failed: %d\n", ret);
        return ret;
    }
    
    printk(KERN_INFO "驱动加载成功，中断 %d 已注册\n", GPIO_IRQ_NUM);
    return 0;
}

static void __exit my_driver_exit(void)
{
    /* 注销中断 */
    free_irq(GPIO_IRQ_NUM, NULL);
    
    /* 销毁 tasklet */
    tasklet_kill(&my_tasklet);
    
    printk(KERN_INFO "驱动卸载完成\n");
}

module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Linux 驱动专家");
MODULE_DESCRIPTION("中断处理与 tasklet 示例");

2.7 本章小结