3. Linux 中断子系统架构：分层、irq_chip、irq_domain 与中断描述符

中断子系统是 Linux 内核中连接硬件与驱动软件的核心枢纽。为了在 x86、ARM、RISC-V 等不同架构上实现统一的驱动接口，内核将中断处理抽象为分层架构，并通过 irq_chip、irq_domain 和 中断描述符 三个关键概念完成硬件中断号到 Linux IRQ 号的映射与管理。

3.1 中断子系统分层架构

Linux 中断子系统从上到下分为三层，每一层职责清晰，通过标准接口解耦：

3.2 irq_chip：硬件中断控制器的软件抽象

struct irq_chip 是内核为中断控制器定义的通用接口结构体。每个中断控制器 (如 GICv2、GICv3、IOAPIC) 都需要实例化该结构体，并实现必要的回调函数。

// include/linux/irq.h
struct irq_chip {
    const char      *name;           // 芯片名称，用于 /proc/interrupts
    unsigned int    (*irq_mask)(struct irq_data *data);      // 屏蔽中断
    unsigned int    (*irq_unmask)(struct irq_data *data);    // 取消屏蔽
    void            (*irq_ack)(struct irq_data *data);       // 应答中断 (边缘触发)
    void            (*irq_eoi)(struct irq_data *data);       // 中断结束 (电平触发)
    int             (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type);
    int             (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force);
    // ... 其他可选回调
};

3.3 irq_domain：硬件中断号到 Linux IRQ 号的桥梁

在设备树或 ACPI 时代，硬件中断源 (hwirq) 是动态的，无法预分配 Linux IRQ 号。irq_domain 负责在运行时建立 hwirq → Linux IRQ 的映射关系。

三种常见的映射方式：

• 线性映射 (Linear)：适用于 hwirq 编号连续且数量固定的控制器 (如 GIC-400)。查找速度快，O(1) 复杂度。
• 树形映射 (Tree)：适用于 hwirq 稀疏或不连续的场景 (如 GPIO 中断控制器)。使用基数树存储，节省内存。
• 不映射 (No Map)：由驱动手动指定 IRQ 号，仅用于 x86 等固定中断号的 legacy 系统。

// 设备树中描述中断连接示例 (ARM GIC)
gic: interrupt-controller@f0001000 {
    compatible = "arm,gic-400";
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <3>;  // <中断类型 中断号 触发方式>
};

uart0: serial@f0002000 {
    compatible = "arm,pl011";
    interrupts = <0 33 4>;   // SPI, hwirq=33, 高电平触发
    interrupt-parent = <&gic>;
};

内核解析设备树时，irq_domain 会为 uart0 分配一个 Linux IRQ 号 (如 45)，驱动只需使用该 IRQ 号调用 request_irq()。

3.4 中断描述符 (irq_desc)

每个 Linux IRQ 号对应一个 struct irq_desc，它是中断子系统的核心数据结构，包含了该中断的所有状态信息。

// kernel/irq/internals.h (简化)
struct irq_desc {
    struct irq_common_data  irq_common_data;
    struct irq_data         irq_data;          // 指向 irq_chip 和 irq_domain
    unsigned int            __percpu   *kstat_irqs;  // 统计信息
    irq_flow_handler_t      handle_irq;        // 流控处理函数
    struct irqaction        *action;           // 链表，挂载所有 handler
    unsigned int            status_use_accessors;
    struct proc_dir_entry   *dir;              // /proc/irq/ 目录
    const char              *name;             // 中断名称
};

3.5 全流程协同：从硬件中断到驱动 handler

当硬件中断信号到达 CPU 时，中断子系统按以下流程协同工作：

1. 硬件触发：中断控制器检测到管脚电平/边沿变化，向 CPU 发送 IRQ 信号。
2. CPU 异常入口：CPU 保存上下文，跳转到 arch_irq_handler 汇编入口。
3. irq_domain 查找：根据硬件中断号 (hwirq) 通过 irq_domain 找到对应的 Linux IRQ 号。
4. irq_desc 调度：获取 irq_desc，调用 handle_irq 流控函数 (如 handle_edge_irq)。
5. irq_chip 操作：流控函数调用 irq_chip 的 ack/mask/eoi 方法操作硬件。
6. 执行 handler：遍历 action 链表，依次执行驱动注册的中断处理函数。