📚 课程目录第3章中断号与IRQ

3. 中断号与IRQ：中断号分配、IRQ编号、动态与静态中断号映射

中断号（Interrupt Number）是操作系统为每个硬件中断源分配的整数标识符，是驱动与中断控制器（Interrupt Controller）之间沟通的“门牌号”。在Linux内核中，中断号分为硬件中断号（HW IRQ）和软件中断号（Linux IRQ），两者通过映射机制关联。本章深入剖析中断号的分配策略、IRQ编号规则以及动态/静态映射的实现原理。

3.1 中断号的基本概念

中断号在系统中有两个层面的含义：

硬件中断号（HW IRQ）：由芯片厂商定义，对应中断控制器（如GIC、IOAPIC）的物理输入引脚或SPI ID。
软件中断号（Linux IRQ）：内核抽象出的逻辑中断号，驱动通过request_irq()注册时使用的参数。

关键理解：驱动开发者通常只与软件中断号（Linux IRQ）打交道，硬件中断号由中断控制器驱动或设备树自动转换。

3.2 中断号分配方式

Linux内核支持三种中断号分配方式，适用于不同硬件平台和场景：

分配方式	描述	典型平台	优点	缺点
静态分配	中断号在编译时或设备树中固定指定	ARM、RISC-V	简单、可预测	灵活性差，易冲突
动态分配	内核运行时动态分配空闲中断号	x86、PCIe设备	避免冲突，支持热插拔	中断号不固定，调试稍复杂
混合分配	部分固定，部分动态	嵌入式SoC	兼顾稳定性和灵活性	管理复杂度增加

  工程实践：在嵌入式Linux中，设备树（Device Tree）是静态分配中断号的主要载体。例如：interrupts = <GIC_SPI 42 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; 表示使用SPI中断，硬件ID为42。

3.3 IRQ编号与中断域

现代Linux内核引入了中断域（irq_domain）机制，用于管理硬件中断号到Linux IRQ的映射。每个中断控制器对应一个中断域，域内维护一张映射表。

3.4 动态中断号映射

动态映射是irq_domain的核心能力，内核提供三种映射类型：

线性映射（Linear）：预分配固定大小的数组，适用于中断源数量已知且较少的场景。
树形映射（Tree）：使用基数树（radix tree）管理，适用于中断源数量大且稀疏的场景。
无映射（No Map）：硬件中断号直接作为Linux IRQ，适用于x86等固定映射平台。

注意事项：动态映射虽然灵活，但可能导致中断号在每次启动时不同。调试时建议通过/proc/interrupts查看当前映射关系。

3.5 静态中断号映射

静态映射通常用于嵌入式系统，中断号在设备树或板级文件中硬编码。典型流程如下：

设备树中通过interrupts属性指定硬件中断号。
内核解析设备树，调用irq_of_parse_and_map()建立映射。
驱动通过platform_get_irq()获取Linux IRQ。

/* 设备树示例：UART设备中断 */
uart0: serial@10000000 {
    compatible = "vendor,uart";
    reg = <0x10000000 0x1000>;
    interrupts = <GIC_SPI 42 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
};

/* 驱动代码获取中断号 */
int irq_num;
irq_num = platform_get_irq(pdev, 0);
if (irq_num < 0) {
    dev_err(&pdev->dev, "failed to get IRQ\n");
    return irq_num;
}

/* 注册中断处理 */
ret = request_irq(irq_num, uart_isr, IRQF_TRIGGER_HIGH,
                  "uart_irq", dev_id);

3.6 中断号映射对比总结

特性	静态映射	动态映射
中断号确定性	固定，可预测	每次启动可能不同
适用平台	ARM、RISC-V嵌入式	x86、PCIe、热插拔设备
配置方式	设备树或板级文件	内核运行时自动分配
调试难度	低	中（需查看/proc/interrupts）
资源占用	低（预分配数组）	中（基数树或链表）
灵活性	低	高

3.7 工程案例：查看中断号映射

在实际开发中，通过/proc/interrupts可以查看当前系统的中断号映射状态：

# cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1
 16:      12345      67890     GICv3  42  uart0
 17:          0          0     GICv3  53  mmc0
 18:        987        654     GICv3  67  eth0

输出字段说明：

第一列：Linux IRQ号（16、17、18）。
CPU列：各CPU处理的中断次数。
中断控制器：GICv3。
硬件中断号：42、53、67。
设备名称：uart0、mmc0、eth0。

  调试技巧：当驱动无法获取中断时，首先检查/proc/interrupts中是否存在对应设备。若不存在，说明设备树或中断控制器驱动未正确注册映射。

3.8 本章小结

中断号是驱动与中断子系统交互的桥梁。理解静态与动态映射的差异，掌握irq_domain的工作原理，能够帮助开发者快速定位中断相关的问题。在嵌入式Linux中，设备树是静态映射的主要工具；而在x86/PCIe场景下，动态映射提供了更好的灵活性和可扩展性。