Linux内核中断

总览

Linux驱动开发中，对于中断，同样遵循着“驱动分层”和“主机驱动和设备驱动分离”的思想，可以分为以下几层：

1.硬件/架构相关层（最底层）

这是与具体CPU架构相关的实现层，负责：

  • 处理器特定的中断控制器操作（如x86的APIC、ARM的GIC）
  • 中断向量表的设置
  • 底层中断启用/禁用
  • 中断上下文保存与恢复

文件位置：arch/xxx/kernel/irq.c（如arch/arm/kernel/irq.c）

2.中断控制器驱动层（irqchip driver）

这是针对具体SoC的中断控制器的驱动层，例如：

  • ARM GIC驱动（drivers/irqchip/irq-gic.c）
  • x86 IOAPIC驱动
  • 其他SoC专用中断控制器

这些驱动需要：

  • 初始化硬件中断控制器
  • 实现irq_chip操作集（如mask/unmask中断）
  • 处理硬件级中断路由

3.中断核心层（irq core）

这是Linux内核提供的通用中断子系统核心，负责：

  • 中断描述符管理（struct irq_desc）
  • 中断流控处理（边沿/电平触发）
  • 中断共享机制
  • 中断统计信息（/proc/interrupts）
  • 提供统一的API供驱动使用（如request_irq()）

文件位置：kernel/irq/ 目录下

4.设备驱动层

这是具体设备驱动使用中断的层面：

  • 通过request_irq()注册中断处理函数
  • 在中断处理函数中响应设备事件
  • 可能使用中断线程化（threaded IRQ）
  • 处理中断共享和设备特定逻辑

普通驱动开发者一般只涉及设备驱动层，其开发包括设备树和驱动程序2部分

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主机驱动层

中断控制器的驱动和设备树一般不需要用户自己写，厂家基本上都写好了。同一个SoC可能有多个中断控制器，且多为==嵌套==关系

对于I.MX6ULL SoC，其有2类中断控制器，定义在imx6ull.dsti中，由interrupt-controller;标识：

1.首先是Arm内核Soc中的GIC中断控制器（相当于STM32中的NVIC）

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intc: interrupt-controller@00a01000 {
    compatible = "arm,cortex-a7-gic";
    #interrupt-cells = <3>;
    interrupt-controller;
    reg = <0x00a01000 0x1000>,
    <0x00a02000 0x100>;
};

#interrupt-cells 表示此中断控制器下子节点的interrupt属性长度，对于设备节点而言，会使用 interrupts 属性描述中断信息。

每个 cell 都是 32 位整形值，GIC的子节点，一共有3个cells，这三个 cells 的含义如下：

  • 第一个 cells：中断类型， 0 表示 SPI 中断， 1 表示 PPI 中断
  • 第二个 cells：中断号，对于 SPI 中断来说中断号的范围为 0987，对于 PPI 中断来说中断号的范围为 015
  • 第三个 cells：标志， bit[3:0]表示中断触发类型，为 1 的时候表示上升沿触发，为 2 的时候表示下降沿触发，为 4 的时表示高电平触发，为 8 的时候表示低电平触发。 bit[15:8]为 PPI 中断的 CPU 掩码

例如：

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interrupts = <GIC_SPI 89 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;

2.各个GPIO同样也可以作为中断控制器

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gpio5: gpio@020ac000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio";
    reg = <0x020ac000 0x4000>;
    interrupts = <GIC_SPI 74 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
    <GIC_SPI 75 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <2>; //子节点的interrupt属性长度为2
};

设备驱动层

对于使用了中断的某个设备，需要在其设备树中描述和中断相关的信息，和中断相关的属性：

  • interrupt-parent：建立设备与中断控制器之间的层级关系，指定中断的路由方式
  • interrupts：设置：中断号、触发方式等属性

==单级中断控制器==：

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// 中断控制器定义
intc: interrupt-controller {
    compatible = "arm,gic";
    #interrupt-cells = <3>;
};

// 设备节点,没有显示指定interrupt-parent，其实继承了其父节点soc{}的该属性
uart0: serial@101f0000 {
    compatible = "ns16550";
    interrupt-parent = <&intc>;  // 指定中断控制器
    interrupts = <0 24 4>;       // 中断类型-中断号-触发类型
};

==多级中断控制器==：

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// 主中断控制器（如ARM GIC）
gic: interrupt-controller@fee00000 {
    compatible = "arm,gic-v3";
    #interrupt-cells = <3>;
};

// 次级中断控制器（如GPIO控制器）
gpio_intc: interrupt-controller@48000000 {
    compatible = "ti,gpio-intc";
    interrupt-parent = <&gic>;    // 本级控制器本身的中断向上级GIC提交
    #interrupt-cells = <2>;
    interrupts = <0 32 4>;        // 中断类型-中断号-触发类型
};

// 实际设备（连接在GPIO控制器上）
buttons {
    compatible = "gpio-keys";
    interrupt-parent = <&gpio_intc>;  // 指定次级控制器
    interrupts = <14 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>; // 中断号-触发类型
};

触发类型定义如下：

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#define IRQ_TYPE_NONE        0   // 无触发
#define IRQ_TYPE_EDGE_RISING 1   // 上升沿
#define IRQ_TYPE_EDGE_FALLING 2  // 下降沿
#define IRQ_TYPE_EDGE_BOTH (IRQ_TYPE_EDGE_FALLING | IRQ_TYPE_EDGE_RISING) // 双边沿
#define IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH 4    // 高电平
#define IRQ_TYPE_LEVEL_LOW 8     // 低电平

核心层

常用API

1.申请中断上半部：该函数会自动使能中断，不需要再手动使能

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int request_irq(unsigned int irq,
                irq_handler_t handler,
                unsigned long flags,
                const char *name,
                void *dev);
  • irq：要申请中断的中断号
  • handler：中断处理函数，当中断发生以后就会执行此中断处理函数
  • flags：中断标志，可以在文件 include/linux/interrupt.h 里面查看所有的中断标志，这里我们介绍几个常用的中断标志，这些标志可以用|组合
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  • name：中断名字，设置以后可以在/proc/interrupts 文件中看到对应的中断名字
  • dev： 如果将 flags 设置为 IRQF_SHARED 的话， dev 用来区分共享中断的不同设备，一般情况下将dev 设置为设备结构体， dev 会传递给中断处理函数 irq_handler_t 的第二个参数。
  • 返回值： 0 中断申请成功，其他负值 中断申请失败，如果返回-EBUSY 的话表示中断已经被申请了。

2.释放中断上半部

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void free_irq(unsigned int irq, id *dev);
  • irq： 要释放的中断的中断号
  • dev：如果中断设置为共享(IRQF_SHARED)的话，此参数用来区分具体的中断。共享中断只有在释放最后中断处理函数的时候才会被禁止掉。

3.中断处理服务函数的函数指针

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irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *)

  • 第一个参数是中断号

  • 第二个参数是一个指向 void 的指针，也就是个通用指针，需要与 request_irq 函数的 dev 参数保持一致。用于区分==共享中断的不同设备==

  • 返回值类型irqreturn_t 的详细定义：

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enum irqreturn {
    IRQ_NONE = (0 << 0), 		//通知内核当前中断处理程序没有处理该中断，内核可能会尝试其他可能的处理程序.
    IRQ_HANDLED = (1 << 0),		//通知内核当前中断已经被处理，内核可以继续其他的处理或恢复正常操作.
    IRQ_WAKE_THREAD = (1 << 1), //通知内核需要唤醒一个线程来进一步处理中断。常见的应用场景是中断处理程序先执行快速处理，然后唤醒一个线程来执行较长时间的处理
};
typedef enum irqreturn irqreturn_t;

在返回时一般需要用IRQ_RETVAL包裹一下再返回，比如：

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return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);

中断上半部与下半部

在操作系统内核中，处理中断的过程通常分为两部分：上半部和下半部。这种分层处理的方式有助于确保及时响应中断的同时，避免在中断处理程序中执行过多耗时操作，从而提高系统的响应性和可靠性。

上半部

上半部是中断处理程序的第一部分，通常是在中断上下文中执行的，负责紧急任务（如清除中断标志、读取关键数据）。它的主要特点包括：

  1. 中断处理：检测和识别中断的发生，确定中断的来源和类型
  2. 快速响应：执行必要的、紧急的中断处理任务，通常是一些简短的操作，例如更新状态、唤醒进程或者触发更复杂的处理流程
  3. 禁用中断：为了避免竞态条件和保护关键资源，上半部在处理过程中可能会临时禁用本地 CPU 的中断，确保当前中断处理不会被其他中断打断，并在执行完中断服务函数时恢复中断，相当于进入了==临界区==

用irq_request()注册的中断服务函数就属于上半部

下半部

下半部是中断处理程序的第二部分，在上半部稍后时间点延迟执行非紧急任务（如数据处理、唤醒进程）。它的主要特点包括：

  1. 延迟处理：处理那些不能立即在上半部完成的任务，例如复杂的数据结构操作、磁盘和网络 I/O 操作，或者需要与用户空间交互的任务。
  2. 解锁资源：在上半部临时禁用中断后，下半部可以==重新启用中断==，允许其他中断和进程继续执行，从而避免长时间阻塞整个系统。
  3. 异步执行：下半部通常以一种异步的方式执行，例如使用work queue、tasklet、定时器…以便在合适的时间点处理。

区别与应用

  • 区别：上半部处理程序在中断上下文中执行，必须快速响应并保护关键资源；下半部则允许更多时间处理复杂任务，并且可以在稍后时间点执行。
  • 应用：上半部处理程序通常直接与硬件交互、更新数据结构或触发通知；下半部处理程序则处理复杂的异步任务、与用户空间的交互或长时间操作。

如何一个函数到底放在上半部还是下半部？

  • 上半部：
    • 不希望被打断
    • 对时间敏感
    • 与硬件相关
  • 下半部：
    • 除了上述3种例子以外的情况

下半部机制

Linux内核提供了3种机制让我们实现中断下半部：

soft_irq

软中断是效率最高的一种方式，在中断上下文运行，不可睡眠，可并发执行，函数要求可重入，在do_softirq中执行

tasklet

tasklet 在软中断上下文中==原子地==执行异步任务，而无需担心竞态条件或长时间占用 CPU

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struct tasklet_struct
{
    struct tasklet_struct *next; 	/* 下一个 tasklet */
    unsigned long state; 			/* tasklet 状态 */
    atomic_t count; 				/* 计数器，记录对 tasklet 的引用数 */
    void (*func)(unsigned long); 	/* tasklet 执行的函数 */
    unsigned long data; 			/* 函数 func 的参数 */
};

tasklet有以下特点：

  • tasklet 是一种轻量级的结构，适合于执行简单但频繁的任务
  • 它们的开销比工作队列要小，因为它们在内核中直接以链表形式管理，而不涉及线程调度和内核线程的开销
  • tasklet可以在软中断上下文中执行，且不会被其他线程抢占，是原子性的，但是会被其他中断抢占
  • 不允许在下半部中睡眠线程，因为它不在线程上下文中，看不到调度器
  • 个人感觉用tasklet下半部和不用下半部差不多，都是在中断的上下文中，唯一的区别就是前者又开启了中断

使用tasklet的步骤：

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相关函数：

1.tasklet的初始化和禁用

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// 初始化一个tasklet实例
DECLARE_TASKLET(name, func, data);
// 初始化一个tasklet实例
void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

// 禁用一个tasklet实例
DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data);

// example1
void my_tasklet_function(unsigned long data); //下半部回调函数
DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_function, 0);

// example2
struct tasklet_struct my_tasklet;
tasklet_init(&my_tasklet, my_tasklet_function, 0);
  • name：tasklet 实例的名称。
  • func：tasklet 执行的函数。
  • data：传递给 func 的参数

2.tasklet的调度

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// 启动一个tasklet实例的调度,操作系统会在合适时调用该下半部
void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);
  • ==此函数需要在中断上半部中被调用==

workqueue

工作队列是在进程上下文中进行的，工作队列将要延迟执行的一个工作（下半部）交给一个内核线程去执行，因为工作队列工作在进程上下文，因此工作队列允许睡眠或重新调度

在使用工作队列定义下半部时，只需要初始化一个work_struct就行了，不需要管工作队列，它有操作系统本身维护

Linux内核使用以下的结构体表示一个工作：

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struct work_struct {
    atomic_long_t data;
    struct list_head entry;
    work_func_t func; /* 工作队列处理函数 */
};

使用工作队列的步骤：

相关函数：

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// 初始化一个已经创建的工作(work_struct)
#define INIT_WORK(_work, _func)

// 创建 + 初始化一个工作
#define DECLARE_WORK(n, f)//n 表示定义的工作(work_struct)，f 表示工作对应的处理函数

// 启动下半部的调度(需要在上半部调用)
bool schedule_work(struct work_struct *work)

调试

1.通过cat /proc/interrupts查看当前中断信息，举个例子：

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           CPU0
 16:      23132       GPC  55 Level     i.MX Timer Tick
 18:          0       GPC  33 Level     2010000.ecspi
 19:        308       GPC  26 Level     2020000.serial
 20:          0       GPC  50 Level     2034000.asrc
 36:          7  gpio-mxc   9 Edge      gt9147
 45:          0  gpio-mxc  18 Edge      gpio_key_platform
 46:          0  gpio-mxc  19 Edge      2190000.usdhc cd
195:          0       GPC   4 Level     20cc000.snvs:snvs-powerkey
196:      16826       GPC 120 Level     20b4000.ethernet
...

各字段含义：

  1. 第一列：中断号​​：内核分配给该中断的唯一编号
  2. 第二列：​​中断触发次数​：自系统启动以来，该中断在CPU0上触发的累计次数（0表示未触发）
  3. 第三列：中断控制器名称​​：处理该中断的硬件控制器
  4. 第四列​：硬件中断线号​：中断控制器内部的物理中断线编号（与芯片手册对应）
  5. 第五列：​触发类型​​：
    • Level：电平触发（高/低电平持续触发）
    • Edge：边沿触发（上升沿/下降沿触发）
    • 其他可能值：RISING（上升沿）、FALLING（下降沿）、BOTH（双边沿）
  6. 最后一列：​关联设备或驱动的名称​

2.如何确定某引脚的硬件中断线号？

  • 如果该引脚被配置为GPIO，则硬件中断线号就是==GPIO的序号==，比如：
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gt9147:gt9147@14 {
...
    interrupt-parent = <&gpio1>; 
    interrupts = <9 0>; 
    interrupt-gpios = <&gpio1 9 GPIO_ACTIVE_LOW>;
...
};

配置GPIO1的pin9为中断