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 📡

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。

---

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

---

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
}

---

// 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：
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

---

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。

---

五、示例：网卡中断处理全流程 🌐

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

---

六、关键数据结构与机制 📊

组件/机制	功能说明	示例/API
GIC 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_desc
request_irq()	驱动注册中断处理函数，关联到irq_desc[VIRQ].action链表。	request_irq()

---