1. 中断基础概念：中断的定义、中断向量表、中断服务程序(ISR)与上下文的切换

1.1 中断的定义与本质

中断（Interrupt）是一种硬件或软件触发的机制，它使处理器暂停当前正在执行的程序，转而执行一个特定的处理程序（即中断服务程序），待处理完成后返回到被中断的程序继续执行。中断是嵌入式系统实现实时响应、异步事件处理和多任务抢占的基石。

1.2 中断向量表（IVT / IDT）

中断向量表是处理器内存中一张固定的表格，每个表项存放着对应中断号的中断服务程序入口地址。当 CPU 检测到中断信号时，硬件自动根据中断号查表，跳转到对应的 ISR 执行。

• 向量号（Vector Number）：每个中断源分配一个唯一的编号，CPU 通过该编号索引向量表。
• 向量表基址：由 CPU 架构决定（如 ARM Cortex-M 固定从 0x00000000 开始），或由系统寄存器配置（如 x86 的 IDTR）。
• 表项大小：ARM Cortex-M 每个表项 4 字节（函数指针），x86 保护模式下每个表项 8 字节（门描述符）。
• 异常与中断共用：复位、NMI、硬 fault 等异常也通过向量表处理，通常占据低编号表项。

1.3 中断服务程序（ISR）

中断服务程序（Interrupt Service Routine）是中断触发后 CPU 跳转执行的专用函数。ISR 必须短小、快速、不可阻塞，因为它在中断上下文中执行，会抢占所有普通任务。

ISR 的设计约束

• 不可睡眠：中断上下文没有进程调度，调用 schedule() 或 wait_event() 会导致内核崩溃。
• 不可持有互斥锁：互斥锁可能引起睡眠，应使用自旋锁（spinlock）保护共享数据。
• 执行时间极短：长时间 ISR 会阻塞其他中断和任务，影响系统实时性。
• 可重入性：同一中断可能嵌套触发，ISR 必须支持重入或由硬件自动屏蔽同级中断。

/* Linux 内核 ISR 注册示例 */
static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    /* 读取硬件状态寄存器 */
    uint32_t status = readl(reg_base + STATUS_REG);

    /* 清除中断标志 */
    writel(status, reg_base + CLEAR_REG);

    /* 将数据放入缓冲区，唤醒等待队列 */
    spin_lock(&lock);
    fifo_push(&rx_fifo, status);
    spin_unlock(&lock);

    wake_up_interruptible(&wq);

    return IRQ_HANDLED;
}

/* 驱动初始化时注册 ISR */
ret = request_irq(irq_num, my_irq_handler,
                  IRQF_TRIGGER_RISING,
                  "my_device", dev);
if (ret) {
    pr_err("Failed to request IRQ %d\n", irq_num);
    return ret;
}

1.4 上下文切换

上下文切换（Context Switch）是指 CPU 在中断发生时，保存当前正在执行任务的寄存器状态（上下文），加载中断服务程序的执行环境，并在 ISR 返回时恢复原任务状态的过程。上下文切换由硬件和软件协同完成。

中断上下文切换的步骤

1. 硬件自动保存：CPU 自动将 PC、PSR、LR、R0-R3、R12 压入当前栈（主栈或进程栈）。
2. 获取向量地址：硬件根据中断号查向量表，加载 ISR 入口地址到 PC。
3. 切换栈指针：ARM Cortex-M 自动切换到 MSP（主栈指针），x86 切换到中断栈。
4. 软件保存剩余寄存器：ISR 入口汇编代码保存 R4-R11 等被调用者保存寄存器。
5. 执行 ISR 主体：运行 C 语言编写的 ISR 函数。
6. 软件恢复寄存器：ISR 返回前汇编代码恢复 R4-R11。
7. 硬件自动恢复：执行异常返回指令，硬件恢复 PC、PSR、LR、R0-R3、R12，继续执行被中断的任务。

1.5 中断上下文 vs 进程上下文