linux中断系统基础使用

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在 Linux 内核开发中，中断（Interrupt） 是 CPU 与硬件通信的“急救热线”。如果让 CPU 不断轮询（Polling）硬件状态，效率极低；而中断机制允许硬件在需要时“打断” CPU，极大提升了系统的并发处理能力。

本文将帮助您理解 Linux 中断处理的顶半部/底半部机制，掌握核心 API。

1. “顶半部”和“底半部”

Linux 中断处理的一个黄金法则是：快进快出

当硬件触发中断时，CPU 会暂停当前任务，跳转到中断处理函数。如果这个函数执行时间过长（例如读取大量数据或进行复杂计算），系统就会卡顿，甚至丢失其他重要的中断信号。

为了解决这个问题，Linux 将中断处理分为两个部分：

1.1. 顶半部 (Top Half / Hard IRQ)

角色： “前台接待员”。
触发： 硬件直接触发。
特点：
- 极快：只做最紧急的事（如读取寄存器状态、清除中断标志）。
- 屏蔽中断：执行期间通常会屏蔽当前CPU的其他中断。
- 不可睡眠：严禁调用任何可能导致睡眠的函数（如 ssleep, mutex_lock, copy_from_user）。
任务： 登记任务，将耗时操作推迟给底半部，然后立即返回。

1.2. 底半部 (Bottom Half)

角色： “后台处理专员”。
触发： 由顶半部调度，在稍后的安全时间执行。
特点：
- 开中断：执行时允许响应其他中断。
- 灵活：根据机制不同，有些可以睡眠（Workqueue），有些不行（Softirq/Tasklet）。
常见场景： 按键消抖、处理数据包、执行长时间计算

1.2.1. 常见的底半部机制

选择哪种底半部机制取决于您的具体需求：

机制	运行上下文	是否允许睡眠	适用场景
Softirq (软中断)	中断上下文	否	极高并发需求（如网卡驱动）。一般驱动很少直接用。
Tasklet	中断上下文	否	(旧) 轻量级任务。但在新内核中逐渐被 Workqueue 取代。
Workqueue (工作队列)	进程上下文	是	(推荐) 需要耗时操作、需要睡眠、需要申请大量内存时。
Threaded IRQ	进程上下文	是	(推荐) 现代驱动的首选，将中断处理直接线程化。

2. IRQ 资源编号与设备树

在现代 Linux 内核中，绝大多数 SoC 的中断都不再通过固定的“linux 内部 IRQ 号”访问，而是通过 设备树（Device Tree）描述硬件 → 内核解析 → 统一抽象（irq_domain） → 转换成 Linux IRQ 号 的方式使用。

这一层抽象非常重要，因为：

SoC 的硬件 IRQ 号不是从 0 开始，也不是固定长度
不同中断控制器（GIC, NVIC, RISC-V PLIC …）的中断号格式完全不同
DTS 可以统一描述，不需要驱动写死中断号

2.1. 设备树中的中断描述

在 DTS 中，中断通常由两个属性提供：

interrupt-parent：指定使用哪个中断控制器
interrupts：描述设备的中断号和触发方式

例如：

mydev: my-device@0 {
    compatible = "gdm,mydev";
    reg = <0x01c20000 0x1000>;

    interrupt-parent = <&gic>;
    interrupts = <33 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>;
};

“interrupts” 单元的含义依赖于中断控制器定义的 #interrupt-cells 属性。

2.1.1. “#interrupt-cells” 的定义

每个中断控制器节点都定义自己的中断参数格式。

例如 ARM GIC：

gic: interrupt-controller@1e001000 {
    compatible = "arm,cortex-a9-gic";
    #interrupt-cells = <3>;
    interrupt-controller;
};

表示这个中断控制器的 interrupts = <a b c> 有 3 个单元。
常见格式：

单元序号	含义
0	中断类型（0: SPI, 1: PPI）
1	硬件中断号
2	触发类型（edge/level）

2.1.2. GPIO 触发的中断

很多 GPIO 控制器也提供中断功能：

my_button {
    gpios = <&gpio1 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    interrupts = <5 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;
    interrupt-parent = <&gpio1>;
};

注意：
gpios 与 interrupts 是两回事。
gpios表示驱动该设备的 GPIO 引脚，
interrupts表示触发中断的中断号。

2.2. 内核如何解析设备树中的中断

中断解析的三层结构：

DTS → irq_domain → Linux IRQ number

解析过程：

解析 interrupt-parent 属性
内核找到你的设备是由哪个中断控制器管理。
将 interrupts 中的原生硬件 IRQ 参数交给 irq_domain
中断控制器在初始化时，会创建对应的 irq_domain 对象，用于映射：

硬件中断号 （hwirq）
        ↓
Linux 虚拟 IRQ（virq）

返回驱动可用的 Linux IRQ
这个 IRQ 是你在 request_irq() 中使用的。
你在驱动中拿到的 IRQ 号 不是硬件 IRQ，而是 Linux 分配的虚拟 IRQ（virq）
所以不能写死 IRQ 数字，必须从 DTS 获取。

2.3. 在驱动中获取设备树中的 IRQ 号

2.3.1. 常用方式：platform_get_irq()

最推荐、最通用：

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

对应 DTS：

interrupts = <33 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>;

如果有多个中断：

interrupts = <33 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
             <34 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;

驱动：

irq0 = platform_get_irq(pdev, 0);
irq1 = platform_get_irq(pdev, 1);

2.3.2. 一般 GPIO → IRQ：gpiod_to_irq()

如果是 GPIO：

irq-gpios = <&gpio1 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;

驱动：

gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "irq", GPIOD_IN);
irq = gpiod_to_irq(gpio);

2.3.3. 旧方法（不推荐）：irq_of_parse_and_map()

较低级 API，如今主要用于没有 platform_device 的情况。

irq = irq_of_parse_and_map(node, 0);

3. 常见API

3.1. `request_irq()`：注册中断处理程序

int request_irq(unsigned int irq,
                irq_handler_t handler,
                unsigned long flags,
                const char *name,
                void *dev);

参数说明：

参数	说明
irq	中断号
handler	中断处理函数
flags	触发方式，如 IRQF_TRIGGER_FALLING
name	/proc/interrupts 显示的名称
dev	传给 handler 的参数（通常设备结构体）

3.2. `free_irq()`：释放中断

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

3.3. 中断处理函数（ISR）

irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct mydev *dev = dev_id;

    /* 处理硬件中断：读取状态寄存器、清中断标志… */
    ...

    return IRQ_HANDLED;
}

注意：

不能睡眠
不能使用可能阻塞的 API（如 msleep）

返回值：

IRQ_HANDLED
表示：
- 中断被这个 handler 正常处理了
- 内核会认为这个中断“属于你”
IRQ_NONE
表示：
- 这个中断不属于你
- 通常用于共享中断线（例如 PCI）

3.4. `enable_irq()` / `disable_irq()`

用于在软件中暂时禁用/启用某个 IRQ：

disable_irq(irq);       // 会等待硬件中断执行完毕
disable_irq_nosync(irq); // 不等待
enable_irq(irq);

4. 底半部机制

4.1. tasklet（轻量底半部）

创建：

void my_tasklet_func(unsigned long data);  DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, 0);

调度：

tasklet_schedule(&my_tasklet);

4.2. workqueue（更灵活）

相比 tasklet，它可以睡眠，也更能处理复杂任务。

创建工作：

static void my_work_func(struct work_struct *work)
{
    struct mydev *dev = container_of(work, struct mydev, work);
    /* 可以执行耗时任务 */
}

初始化：

INIT_WORK(&dev->work, my_work_func);

在中断里调度：

schedule_work(&dev->work);

这是最常用的底半部方式。

5. 中断处理中需要注意的事项

5.1. 不要睡眠

ISR 禁止使用：

msleep
mutex_lock（可能睡眠）
schedule()

5.2. 尽可能短

清状态寄存器
准备数据
调度底半部

5.3. 触发方式匹配硬件

常见 flags：

IRQF_TRIGGER_RISING
IRQF_TRIGGER_FALLING
IRQF_TRIGGER_HIGH
IRQF_TRIGGER_LOW
IRQF_ONESHOT（配合 threaded irq）

6. Threaded IRQ（线程化中断）

Linux 支持把中断处理放到线程里（可睡眠）。适合驱动复杂逻辑。

request_threaded_irq(irq, NULL,
                     my_thread_fn,
                     IRQF_ONESHOT | IRQF_TRIGGER_FALLING,
                     "mydev", dev);

thread_fn 可以睡眠，非常灵活：

static irqreturn_t my_thread_fn(int irq, void *dev_id)
{
    msleep(20);   // 可以
    return IRQ_HANDLED;
}

7. 查看中断情况

执行：

cat /proc/interrupts

可以看到：

中断号
对应 CPU
触发次数
对应驱动名称

例如：

33:      1023   GIC   edge   mydev_irq

共计约1.9k字。于2025/12/08首次发布，最后更新于2025/12/10。

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AI辅助创作：本文部分内容由 ChatGPT 5 生成，最终版本由作者审核与修改。了解该AI模型。

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linux中断系统基础使用

1. “顶半部”和“底半部”

1.1. 顶半部 (Top Half / Hard IRQ)

1.2. 底半部 (Bottom Half)

1.2.1. 常见的底半部机制

2. IRQ 资源编号与设备树

2.1. 设备树中的中断描述

2.1.1. “#interrupt-cells” 的定义

2.1.2. GPIO 触发的中断

2.2. 内核如何解析设备树中的中断

2.3. 在驱动中获取设备树中的 IRQ 号

2.3.1. 常用方式：platform_get_irq()

2.3.2. 一般 GPIO → IRQ：gpiod_to_irq()

2.3.3. 旧方法（不推荐）：irq_of_parse_and_map()

3. 常见API

3.1. request_irq()：注册中断处理程序

3.2. free_irq()：释放中断

3.3. 中断处理函数（ISR）

3.4. enable_irq() / disable_irq()

4. 底半部机制

4.1. tasklet（轻量底半部）

4.2. workqueue（更灵活）

5. 中断处理中需要注意的事项

5.1. 不要睡眠

5.2. 尽可能短

5.3. 触发方式匹配硬件

6. Threaded IRQ（线程化中断）

7. 查看中断情况

3.1. `request_irq()`：注册中断处理程序

3.2. `free_irq()`：释放中断

3.4. `enable_irq()` / `disable_irq()`