linux中断调用流程(arm)

文章目录 ARM架构下Linux中断处理全流程解析：从硬件触发到驱动调用 ⚡**一、中断触发与硬件层响应** 🔌**1. 设备触发中断** 📡 **二、CPU阶段：异常入口与上下文处理** 🖥️**1. 异常模式切换** 🔄**2. 跳转至中断向量表** 🗺️ **三、内核中断处理框架** ⚙️**1. 中断向量表初始化** 📜**2. 中断控制器驱动注册** 🔧**3. 中断分发与设备处理** 🔀 **四、设备驱动中的中断处理流程** 🛠️**1. 驱动注册中断处理函数** 📝**2. 实现中断处理函数** 🛠️**3. 释放中断资源** 🗑️ **五、示例：网卡中断处理全流程** 🌐**六、关键数据结构与机制** 📊

ARM架构下Linux中断处理全流程解析：从硬件触发到驱动调用 ⚡

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一、中断触发与硬件层响应 🔌 1. 设备触发中断 📡

当外设（如网卡、键盘）需要CPU处理时，其硬件控制器会通过物理中断线（IRQ）向中断控制器发送信号。以ARM的通用中断控制器（GICv3）为例：

中断接收：GIC Distributor模块接收中断请求，并根据中断类型（SPI/PPI/SGI）分类。 🛠️ 关键点：SPI用于共享外设中断，PPI为CPU私有中断。优先级仲裁：Distributor根据中断优先级（配置于寄存器GICD_IPRIORITYRn）和屏蔽状态，选择最高优先级中断。 ⚖️ 优先级规则：数值越小优先级越高，0为最高。路由到目标CPU：通过Redistributor模块将中断传递给目标CPU核心（支持多核负载均衡）。 🌐 多核优化：避免单核过载，提升系统吞吐量。物理信号触发：GIC通过CPU的IRQ引脚触发异常模式切换。 ⚡ 信号传递：硬件自动完成，无需软件干预。

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二、CPU阶段：异常入口与上下文处理 🖥️ 1. 异常模式切换 🔄

CPU收到中断信号后，硬件自动完成以下操作：

保存上下文：将当前程序状态（PSTATE、PC、SP等）压入内核栈。 📦 关键寄存器：包括通用寄存器、程序计数器、栈指针。切换异常级别： 用户态（EL0）→ 内核态（EL1）：触发完整的上下文切换。 🔒 安全隔离：防止用户程序直接访问内核资源。内核态（EL1）→ EL1：仅保存关键寄存器，复用当前内核栈。 ⏩ 快速路径：减少模式切换开销。 2. 跳转至中断向量表 🗺️ 向量表基址：由寄存器VBAR_EL1指定，指向内核预定义的向量表（arch/arm64/kernel/entry.S）。 🏷️ 配置时机：内核启动时通过set_vbar()初始化。入口偏移计算： IRQ入口：VBAR_EL1 + 0x280（EL1h模式）。 🔍 偏移规则：每种异常类型有固定偏移量。同步异常入口：VBAR_EL1 + 0x400（用于系统调用）。 📌 示例：系统调用通过svc指令触发同步异常。 // arch/arm64/kernel/entry.S kernel_ventry 1, irq // EL1h模式IRQ入口

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三、内核中断处理框架 ⚙️ 1. 中断向量表初始化 📜

ARM64的中断向量表通过汇编宏kernel_ventry定义，每个条目对应一种异常类型：

IRQ处理入口：最终调用handle_arch_irq（全局函数指针）。 🔗 跳转逻辑：从汇编跳转到C语言函数。关键汇编跳转：irq_handler: bl handle_arch_irq // 跳转到C语言处理函数 2. 中断控制器驱动注册 🔧

以GIC驱动为例，初始化时完成中断处理函数的绑定：

// drivers/irqchip/irq-gic.c void __init gic_init(...) { gic_dist_init(gic); // 初始化Distributor gic_cpu_init(gic); // 初始化CPU Interface set_handle_irq(gic_handle_irq); // 注册全局处理函数 }

set_handle_irq：将gic_handle_irq赋值给handle_arch_irq，建立汇编到C的桥梁。 🌉 桥梁作用：屏蔽硬件差异，统一中断入口。 3. 中断分发与设备处理 🔀

GIC驱动通过gic_handle_irq读取中断号并分发给设备驱动：

static void __exception_irq_entry gic_handle_irq(...) { u32 irqnr = gic_read_iar(); // 读取GIC中断应答寄存器 handle_domain_irq(gic_data.domain, irqnr, regs); // 映射并处理 }

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// kernel/irq/irqdesc.c int __handle_domain_irq(struct irq_domain *domain, unsigned int hwirq, bool lookup, struct pt_regs *regs) { ... irq_enter(); // 进入中断上下文 irq = irq_find_mapping(domain, hwirq); // 硬件中断号映射为虚拟中断号 if (irq合法) { generic_handle_irq(irq); // 调用中断处理链 } else { ack_bad_irq(irq); // 错误处理 } irq_exit(); // 退出中断上下文 ... }

handle_domain_irq的核心作用： 中断上下文标记：irq_enter()进入原子上下文，禁用调度。 🚫 禁止行为：禁止睡眠、内存分配等非原子操作。硬件中断号映射：通过irq_domain将硬件IRQ转换为Linux虚拟IRQ。 🗂️ 映射策略：支持线性映射、树映射等多种方式。调用设备ISR：从irq_desc[].action链表中执行驱动注册的中断处理函数。 ⚡ 快速响应：上半部处理时间通常小于1ms。

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四、设备驱动中的中断处理流程 🛠️ 1. 驱动注册中断处理函数 📝

设备驱动通过request_irq注册中断服务例程（ISR）：

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev); 参数说明： irq：虚拟中断号（由irq_of_parse_and_map解析设备树获得）。 🌳 设备树示例：interrupts = <0 168 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>; // SPI 168，上升沿触发 flags：标志位（如IRQF_SHARED表示共享中断）。 ⚠️ 共享中断：需唯一dev_id标识不同设备。dev：设备标识符（共享中断时用于区分设备）。 📌 示例：PCI设备使用pci_dev指针作为标识。 2. 实现中断处理函数 🛠️

上半部（Top Half）：快速响应硬件，禁止阻塞或睡眠。

static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id) { struct net_device *dev = dev_id; // 1. 读取硬件状态（如网卡DMA缓冲区） u32 status = readl(dev->reg_base + STATUS_REG); // 2. 清除中断标志 writel(STATUS_CLEAR, dev->reg_base + STATUS_REG); // 3. 触发下半部（如tasklet） tasklet_schedule(&dev->tasklet); return IRQ_HANDLED; }

🚨 注意事项：避免在中断上下文中调用kmalloc()或mutex_lock()。

下半部（Bottom Half）：处理耗时任务，支持多种机制：

SoftIRQ：内核预定义的高优先级任务（如网络收包）。 🌟 优势：支持多CPU并行处理。Tasklet：基于SoftIRQ，单CPU串行执行。 ⚡ 适用场景：GPIO按键去抖动处理。Workqueue：运行于进程上下文，允许休眠。 🛌 示例：文件I/O或网络协议栈处理。 3. 释放中断资源 🗑️

驱动卸载时需调用free_irq释放中断号：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

⚠️ 内存安全：必须在驱动卸载路径中调用，防止资源泄漏。

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五、示例：网卡中断处理全流程 🌐 硬件触发：网卡接收数据包，向GIC发送IRQ信号。 📡 触发时机：DMA传输完成或FIFO缓冲区非空。GIC路由：Distributor将中断路由至CPU0，分配硬件中断号168。 🔄 负载均衡：GICv3支持动态调整目标CPU。CPU跳转：CPU0执行向量表VBAR_EL1 + 0x280处的irq入口。 ⏱️ 低延迟：硬件自动跳转，无需软件轮询。GIC处理：gic_handle_irq读取中断号168，调用handle_domain_irq。 🔍 中断号解析：通过GICC_IAR寄存器获取。中断映射：通过irq_domain将168映射为Linux虚拟IRQ 200。 🌉 映射关系：存储在irq_desc[200].irq_data.hwirq。驱动处理：执行irq_desc[200].action中的网卡ISR（如NAPI收包）。 🚀 性能优化：NAPI在收包时切换为轮询模式，减少中断风暴。中断返回：恢复上下文，触发软中断（如NET_RX_SOFTIRQ）处理数据。 📦 数据传递：sk_buff从内核空间传递到用户空间。

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六、关键数据结构与机制 📊 组件/机制功能说明示例/APIGIC Distributor接收外设中断，优先级仲裁，路由到目标CPU核心。gic_dist_init()VBAR_EL1存储中断向量表基址，决定异常入口跳转位置。set_vbar()irq_domain管理硬件中断号（HW IRQ）到Linux虚拟中断号（VIRQ）的映射。irq_domain_add_linear()irq_desc[]全局中断描述符数组，存储中断处理函数链（action链表）。struct irq_descrequest_irq()驱动注册中断处理函数，关联到irq_desc[VIRQ].action链表。request_irq()

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