ARM架構下Linux中斷處理全流程解析：從硬件觸發到驅動調用 ?

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一、中斷觸發與硬件層響應 🔌

1. 設備觸發中斷 📡

當外設（如網卡、鍵盤）需要CPU處理時，其硬件控制器會通過物理中斷線（IRQ）向中斷控制器發送信號。以ARM的通用中斷控制器（GICv3）為例：

• 中斷接收：GIC Distributor模塊接收中斷請求，并根據中斷類型（SPI/PPI/SGI）分類。
  🛠? 關鍵點：SPI用于共享外設中斷，PPI為CPU私有中斷。
• 優先級仲裁：Distributor根據中斷優先級（配置于寄存器GICD_IPRIORITYRn）和屏蔽狀態，選擇最高優先級中斷。
  ?? 優先級規則：數值越小優先級越高，0為最高。
• 路由到目標CPU：通過Redistributor模塊將中斷傳遞給目標CPU核心（支持多核負載均衡）。
  🌐 多核優化：避免單核過載，提升系統吞吐量。
• 物理信號觸發：GIC通過CPU的IRQ引腳觸發異常模式切換。
  ? 信號傳遞：硬件自動完成，無需軟件干預。

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二、CPU階段：異常入口與上下文處理 🖥?

1. 異常模式切換 🔄

CPU收到中斷信號后，硬件自動完成以下操作：

• 保存上下文：將當前程序狀態（PSTATE、PC、SP等）壓入內核棧。
  📦 關鍵寄存器：包括通用寄存器、程序計數器、棧指針。
• 切換異常級別：
  • 用戶態（EL0）→ 內核態（EL1）：觸發完整的上下文切換。
    🔒 安全隔離：防止用戶程序直接訪問內核資源。
  • 內核態（EL1）→ EL1：僅保存關鍵寄存器，復用當前內核棧。
    ? 快速路徑：減少模式切換開銷。

2. 跳轉至中斷向量表 🗺?

• 向量表基址：由寄存器VBAR_EL1指定，指向內核預定義的向量表（arch/arm64/kernel/entry.S）。
  🏷? 配置時機：內核啟動時通過set_vbar()初始化。
• 入口偏移計算：
  • IRQ入口：VBAR_EL1 + 0x280（EL1h模式）。
    🔍 偏移規則：每種異常類型有固定偏移量。
  • 同步異常入口：VBAR_EL1 + 0x400（用于系統調用）。
    📌 示例：系統調用通過svc指令觸發同步異常。

// arch/arm64/kernel/entry.S
kernel_ventry 1, irq       // EL1h模式IRQ入口

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三、內核中斷處理框架 ??

1. 中斷向量表初始化 📜

ARM64的中斷向量表通過匯編宏kernel_ventry定義，每個條目對應一種異常類型：

• IRQ處理入口：最終調用handle_arch_irq（全局函數指針）。
  🔗 跳轉邏輯：從匯編跳轉到C語言函數。
• 關鍵匯編跳轉：

  irq_handler:bl    handle_arch_irq   // 跳轉到C語言處理函數
  

2. 中斷控制器驅動注冊 🔧

以GIC驅動為例，初始化時完成中斷處理函數的綁定：

// drivers/irqchip/irq-gic.c
void __init gic_init(...) {gic_dist_init(gic);       // 初始化Distributorgic_cpu_init(gic);        // 初始化CPU Interfaceset_handle_irq(gic_handle_irq);  // 注冊全局處理函數
}

• set_handle_irq：將gic_handle_irq賦值給handle_arch_irq，建立匯編到C的橋梁。
  🌉 橋梁作用：屏蔽硬件差異，統一中斷入口。

3. 中斷分發與設備處理 🔀

GIC驅動通過gic_handle_irq讀取中斷號并分發給設備驅動：

static void __exception_irq_entry gic_handle_irq(...) {u32 irqnr = gic_read_iar();      // 讀取GIC中斷應答寄存器handle_domain_irq(gic_data.domain, irqnr, regs);  // 映射并處理
}

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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();  // 進入中斷上下文irq = irq_find_mapping(domain, hwirq);  // 硬件中斷號映射為虛擬中斷號if (irq合法) {generic_handle_irq(irq);  // 調用中斷處理鏈} else {ack_bad_irq(irq);        // 錯誤處理}irq_exit();  // 退出中斷上下文...
}

• handle_domain_irq的核心作用：
  1. 中斷上下文標記：irq_enter()進入原子上下文，禁用調度。
     🚫 禁止行為：禁止睡眠、內存分配等非原子操作。
  2. 硬件中斷號映射：通過irq_domain將硬件IRQ轉換為Linux虛擬IRQ。
     🗂? 映射策略：支持線性映射、樹映射等多種方式。
  3. 調用設備ISR：從irq_desc[].action鏈表中執行驅動注冊的中斷處理函數。
     ? 快速響應：上半部處理時間通常小于1ms。

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四、設備驅動中的中斷處理流程 🛠?

1. 驅動注冊中斷處理函數 📝

設備驅動通過request_irq注冊中斷服務例程（ISR）：

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

• 參數說明：
  • irq：虛擬中斷號（由irq_of_parse_and_map解析設備樹獲得）。
    🌳 設備樹示例：

    interrupts = <0 168 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;  // SPI 168，上升沿觸發
    

  • flags：標志位（如IRQF_SHARED表示共享中斷）。
    ?? 共享中斷：需唯一dev_id標識不同設備。
  • dev：設備標識符（共享中斷時用于區分設備）。
    📌 示例：PCI設備使用pci_dev指針作為標識。

2. 實現中斷處理函數 🛠?

• 上半部（Top Half）：快速響應硬件，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. 讀取硬件狀態（如網卡DMA緩沖區）u32 status = readl(dev->reg_base + STATUS_REG);// 2. 清除中斷標志writel(STATUS_CLEAR, dev->reg_base + STATUS_REG);// 3. 觸發下半部（如tasklet）tasklet_schedule(&dev->tasklet);return IRQ_HANDLED;
  }
  

  🚨 注意事項：避免在中斷上下文中調用kmalloc()或mutex_lock()。

• 下半部（Bottom Half）：處理耗時任務，支持多種機制：

  • SoftIRQ：內核預定義的高優先級任務（如網絡收包）。
    🌟 優勢：支持多CPU并行處理。
  • Tasklet：基于SoftIRQ，單CPU串行執行。
    ? 適用場景：GPIO按鍵去抖動處理。
  • Workqueue：運行于進程上下文，允許休眠。
    🛌 示例：文件I/O或網絡協議棧處理。

3. 釋放中斷資源 🗑?

驅動卸載時需調用free_irq釋放中斷號：

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

?? 內存安全：必須在驅動卸載路徑中調用，防止資源泄漏。

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五、示例：網卡中斷處理全流程 🌐

1. 硬件觸發：網卡接收數據包，向GIC發送IRQ信號。
   📡 觸發時機：DMA傳輸完成或FIFO緩沖區非空。
2. GIC路由：Distributor將中斷路由至CPU0，分配硬件中斷號168。
   🔄 負載均衡：GICv3支持動態調整目標CPU。
3. CPU跳轉：CPU0執行向量表VBAR_EL1 + 0x280處的irq入口。
   ?? 低延遲：硬件自動跳轉，無需軟件輪詢。
4. GIC處理：gic_handle_irq讀取中斷號168，調用handle_domain_irq。
   🔍 中斷號解析：通過GICC_IAR寄存器獲取。
5. 中斷映射：通過irq_domain將168映射為Linux虛擬IRQ 200。
   🌉 映射關系：存儲在irq_desc[200].irq_data.hwirq。
6. 驅動處理：執行irq_desc[200].action中的網卡ISR（如NAPI收包）。
   🚀 性能優化：NAPI在收包時切換為輪詢模式，減少中斷風暴。
7. 中斷返回：恢復上下文，觸發軟中斷（如NET_RX_SOFTIRQ）處理數據。
   📦 數據傳遞：sk_buff從內核空間傳遞到用戶空間。

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六、關鍵數據結構與機制 📊

組件/機制	功能說明	示例/API
GIC Distributor	接收外設中斷，優先級仲裁，路由到目標CPU核心。	gic_dist_init()
VBAR_EL1	存儲中斷向量表基址，決定異常入口跳轉位置。	set_vbar()
irq_domain	管理硬件中斷號（HW IRQ）到Linux虛擬中斷號（VIRQ）的映射。	irq_domain_add_linear()
irq_desc[]	全局中斷描述符數組，存儲中斷處理函數鏈（action鏈表）。	struct irq_desc
request_irq()	驅動注冊中斷處理函數，關聯到irq_desc[VIRQ].action鏈表。	request_irq()

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