📚 课程目录第2章 Linux中断子系统架构

2. Linux 中断子系统架构：中断控制器、中断描述符、中断处理函数注册

Linux 中断子系统是驱动与硬件交互的核心通道。理解其架构，是设计高效底半部机制与 DMA 协同的前提。本章从中断控制器、中断描述符、中断处理函数注册三个维度，拆解中断从硬件触发到软件处理的完整链路。

2.1 中断控制器：硬件中断的汇聚与分发

中断控制器（Interrupt Controller）是 CPU 与外部中断源之间的桥梁。在 ARM SoC 中，常见的中断控制器包括 GIC（Generic Interrupt Controller）v2/v3/v4。其核心职责包括：

中断汇聚：将多个外设中断请求（IRQ）合并为一条信号线送入 CPU。
优先级仲裁：同时到达的中断按优先级排序，高优先级先处理。
中断屏蔽：允许软件按位屏蔽特定中断源。
中断分发：在多核系统中，将中断路由到指定 CPU 核心。

驱动视角： 驱动开发者通常不直接操作中断控制器寄存器，而是通过 Linux 内核提供的 irq_chip 结构体间接控制。中断控制器驱动由 arch/ 或 drivers/irqchip/ 下的代码实现，对设备驱动透明。

下图展示了中断控制器在硬件中断路径中的位置与作用：

2.2 中断描述符：内核的中断对象模型

Linux 内核使用 struct irq_desc 描述每个中断源。中断描述符是中断子系统的核心数据结构，串联起硬件中断号、中断处理函数链表、中断控制器操作、线程化处理等机制。

字段	类型	说明
`irq_data`	`struct irq_data`	硬件中断号、irq_chip 指针、芯片私有数据
`action`	`struct irqaction *`	中断处理函数链表头（共享中断时挂接多个 handler）
`status_use_accessors`	`unsigned int`	中断状态标志（IRQ_INPROGRESS / IRQ_DISABLED 等）
`depth`	`unsigned int`	中断禁用嵌套深度
`threads_oneshot`	`atomic_t`	线程化中断的 one-shot 同步计数
`kstat_irqs`	`struct irqstat`	中断统计信息（触发次数、时间戳）

中断描述符组织在全局数组 irq_desc[NR_IRQS] 中，通过 irq_to_desc(irq) 宏根据中断号快速索引。每个描述符内部维护一个 action 链表，支持多个设备共享同一中断线。

  关键设计： 中断描述符的 action 链表是驱动注册中断处理函数的挂载点。共享中断时，内核遍历链表依次调用各驱动的 handler，直到某个 handler 返回 IRQ_HANDLED 为止。

下图展示了中断描述符在内核中的组织关系：

2.3 中断处理函数注册：request_irq 与 irqaction

驱动通过 request_irq() 或 devm_request_irq() 注册中断处理函数。内核在后台完成以下操作：

分配 irqaction 结构体：填充 handler、dev_id、irq flags 等字段。
挂入 action 链表：将 irqaction 插入对应 irq_desc 的 action 链表尾部。
使能中断：调用 irq_chip 的 irq_unmask() 回调，允许硬件中断送达 CPU。
设置中断流处理：根据中断类型（电平触发/边沿触发）选择 handle_level_irq 或 handle_edge_irq。

常见错误： 注册中断时未检查返回值。request_irq 可能返回 -EBUSY（中断已被独占注册）、-EINVAL（无效参数）或 -ENOMEM（内存不足）。驱动必须处理这些错误，否则中断无法正常工作。

下面是典型的中断注册代码模板：

#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/device.h>

/* 中断处理函数（顶半部） */
static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct my_device *dev = (struct my_device *)dev_id;

    /* 读取硬件状态寄存器，判断中断源 */
    uint32_t status = ioread32(dev->regs + STATUS_REG);

    if (status & RX_DONE) {
        /* 调度 tasklet 或 workqueue 处理数据 */
        tasklet_schedule(&dev->rx_tasklet);
    }

    if (status & TX_DONE) {
        /* 唤醒等待队列 */
        wake_up_interruptible(&dev->tx_wait);
    }

    return IRQ_HANDLED;
}

/* 驱动初始化时注册中断 */
static int my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_device *dev;
    int ret, irq;

    dev = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*dev), GFP_KERNEL);
    if (!dev)
        return -ENOMEM;

    irq = platform_get_irq(pdev, 0);
    if (irq < 0)
        return irq;

    /* 注册中断：IRQF_SHARED 表示共享中断 */
    ret = devm_request_irq(&pdev->dev, irq, my_irq_handler,
                           IRQF_SHARED | IRQF_TRIGGER_HIGH,
                           "my_device", dev);
    if (ret) {
        dev_err(&pdev->dev, "failed to request irq %d: %d\n", irq, ret);
        return ret;
    }

    dev_info(&pdev->dev, "irq %d registered successfully\n", irq);
    return 0;
}

2.4 中断处理流程：从硬件触发到软件执行

一个完整的中断处理流程分为以下阶段：

阶段	执行者	关键操作
1. 硬件中断触发	外设 / 中断控制器	外设拉高 IRQ 线，GIC 仲裁后向 CPU 发送 IRQ 信号
2. CPU 异常向量	CPU 硬件	保存上下文，跳转到 vector_irq 入口
3. 中断流处理	handle_arch_irq	读取 GIC 的 IAR 寄存器获取中断号，调用 handle_fasteoi_irq
4. 通用中断层	generic_handle_irq_desc	根据 irq_desc 的 action 链表，调用注册的 handler
5. 驱动顶半部	驱动 handler	快速处理硬件状态，调度底半部，返回 IRQ_HANDLED
6. 中断退出	CPU / GIC	写 EOI 寄存器，恢复上下文，返回被中断的任务

下图完整展示了从硬件中断到驱动顶半部的调用链：

2.5 中断标志与共享中断

request_irq() 的 flags 参数控制中断行为。常用标志如下：

标志	值	说明
`IRQF_SHARED`	0x00000080	允许多个设备共享同一中断线
`IRQF_TRIGGER_RISING`	0x00000001	上升沿触发
`IRQF_TRIGGER_FALLING`	0x00000002	下降沿触发
`IRQF_TRIGGER_HIGH`	0x00000004	高电平触发
`IRQF_TRIGGER_LOW`	0x00000008	低电平触发
`IRQF_ONESHOT`	0x00002000	中断处理期间硬件中断保持屏蔽，用于线程化中断
`IRQF_NO_SUSPEND`	0x00004000	系统休眠时不关闭该中断

共享中断注意事项： 使用 IRQF_SHARED 时，所有注册的 handler 必须接受 dev_id 参数，并在 handler 中判断中断是否来自本设备。如果中断不是本设备触发的，必须返回 IRQ_NONE，否则会导致系统误判。

📚 课程目录

2. Linux 中断子系统架构：中断控制器、中断描述符、中断处理函数注册

2.1 中断控制器：硬件中断的汇聚与分发

2.2 中断描述符：内核的中断对象模型

2.3 中断处理函数注册：request_irq 与 irqaction

2.4 中断处理流程：从硬件触发到软件执行

2.5 中断标志与共享中断

2.6 本章小结