高性能Linux中断全解析：开发者必备的系统、设备树和代码全套理解

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高性能Linux中断全解析：开发者必备的系统、设备树和代码全套理解

在嵌入式或内核开发中，我们经常遇到“中断”和“异常”这两个词。很多人初学时会问：它们有什么区别？它们怎么触发？和驱动开发有何关系？

从架构上看：

• 异常（Exception） 是 CPU 在执行指令时检测到问题（如非法访问、除以 0、缺页、系统调用等）而主动触发的机制，属于同步事件。
• 中断（Interrupt） 则是来自外部硬件（如定时器、网卡、串口等）异步打断 CPU 的运行流程，属于异步事件。

它们虽然名字不同，但在 CPU 层面统一走异常向量机制，统一通过跳转到异常向量表指定的入口进行处理。而 Linux 内核也在此基础上做了完整封装，包括上半部处理、下半部调度、中断控制器抽象、设备树中断描述等模块。

理解这些基础，将帮助我们彻底掌握驱动中断处理、性能优化、调试分析的本质原理。

一些初学者对“中断、异常、上下文、终端、设备树”等概念感到混淆，实际上Linux很系统地封装了这些组织。本文给出一套完整、清晰、可培备的内核中断解析。

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一、中断、异常：标准定义整理

概念	是否同步	是否来自外设	是否通过异常向量	示例	分类
同步异常	是	否	是	除 0，Page Fault	Exception (异常)
异步中断	否	是	是	网卡中断，定时器	Interrupt (中断)
软中断	否	否	否	net_rx_action	内核设计机制

【记忆口词：“异常是CPU自己出错，中断是别人打扰。同步是挂在自己脚上的队列，异步是不知不见的打中。”】

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二、中断上下文是啥？上半部/下半部处理

名称	解释
中断上下文	CPU 正处于中断处理的环境，不允许睡眠、不允许调度
上半部	IRQ handler，简单带走，引发软中断
下半部	SoftIRQ / Tasklet / Workqueue 一系列延迟处理机制

流程图：Linux 中断处理全链路

外设中断信号 → [GIC/APIC] → [do_IRQ()]
    → IRQ Handler (e1000_intr)
        → raise_softirq(NET_RX)
            → do_softirq()
                → net_rx_action()

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三、如何判断是否处于中断上下文？

函数	作用
in_interrupt()	判断是否处于中断上下文
in_irq()	是否处于硬中断上下文
in_softirq()	是否处于 SoftIRQ 上下文
in_task()	是否处于进程上下文 (允许睡眠)

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四、异常向量：Exception 和 Interrupt 公用地址表

• CPU 给出 VBAR_ELx 系列定义异常向量基地址
• Exception 和 IRQ/FIQ 其实共用同一异常向量机制

ARMv8 举例：

异常类型	偏移	示例
EL0 Sync	0x200	system call (svc)
EL0 IRQ	0x280	外设中断
EL1 Sync	0x000	kernel fault, undefined instr

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五、中断控制器和设备树配置

1. 中断控制器是 SoC 硬件模块

• ARM 经常是 GIC (Generic Interrupt Controller)
• RISC-V 是 PLIC

2. 设备树配置中断通道

interrupt-controller@38800000 {
    compatible = "arm,gic-400";
    reg = <0x38800000 0x1000>,
          <0x38810000 0x1000>;
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <3>;
};

该节点声明：这是一个 GIC 类型的中断控制器，使用 <3> 表示子设备使用中断时，需要 3 个单元描述一个中断：

• 第1项：中断类型（如 GIC_SPI = 0）
• 第2项：中断号（如 122）
• 第3项：触发类型（如 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH = 4）

设备节点中通过 interrupt-parent 关联该中断控制器，并指定中断号：

ethernet@5b000000 {
    interrupt-parent = <&gic>;
    interrupts = ;
};

✅ 表示该以太网设备使用 GIC 控制器的 SPI 类型第 122 号中断，采用高电平触发。

如果设备有多个中断源，也可以写多个中断元组：

interrupts = ,
             ;

设备树 → 中断控制器 → 内核解析 → request_irq → 驱动处理函数，一条链条完全连接。

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六、实战示例：IRQ 处理函数全链路

1. 注册 IRQ

request_irq(122, my_irq_handler, 0, "my_eth", NULL);

2. 处理函数

static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    pr_info("IRQ %d received\n", irq);
    /* 发起软中断 */
    raise_softirq(NET_RX_SOFTIRQ);
    return IRQ_HANDLED;
}

3. 软中断处理

static void net_rx_action(struct softirq_action *a)
{
    /* 处理网络数据包 */
}

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七、总结记忆图：异常和中断规范结构

                 Exception (异常)
                /                     \
      Synchronous Exception     Asynchronous Exception
        (系统调用、除 0)       (外设 IRQ中断)

                            |
                         异常向量
                            |
                    [调用异常处理函数]
                            |
                [触发 SoftIRQ/下半部]
                            |
                 [net_rx_action / workqueue]

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结言

解决中断、异常、上下文、硬软分层等概念混淆，必须理清三者分别：

• 异常 (Exception)：包括 系统调用、PageFault，由指令触发
• 中断 (Interrupt)：外设硬件打断，是异步异常
• 软中断：内核框架下半部，非 CPU 异常系统

通过设备树 + GIC 硬件 + Linux IRQ 进入热点实战，方可真正理解 Linux 高性能应用中断细节。

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