【摘要】本文详解了Linux内核的中断实现机制。首先介绍了中断的一些基本概念，然后分析了面向对象的Linux中断的组织形式、三种主要数据结构及其之间的关系。随后介绍了Linux处理异常和中断的基本流程，在此基础上分析了中断处理的详细流程，包括保存现场、中断处理、中断退出时的软中断执行及中断返回时的进程切换等问题。最后介绍了中断相关的API，包括中断注册和释放、中断关闭和使能、如何编写中断ISR、共享中断、中断上下文中断状态等。
【关键字】中断，异常，hw_interrupt_type，irq_desc_t，irqaction，asm_do_IRQ，软中断，进程切换，中断注册释放request_irq，free_irq，共享中断，可重入，中断上下文
1 中断概述
1.1 为什么需要中断？
处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上，因此，如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求，然后专门等待回应的办法，显然差强人意。既然硬件的响应这么慢，那么内核就应该在此期间处理其他事务，等到硬件真正完成了请求的操作之后，再回过头来对它进行处理。想要实现这种功能，轮询(polling)可能会是一种解决办法。可以让内核定期对设备的状态进行查询，然后做出相应的处理。不过这种方法很可能会让内核做不少无用功，因为无论硬件设备是正在忙碌着完成任务还是已经大功告成，轮询总会周期性地重复执行。更好的办法是由我们来提供一种机制，让硬件在需要的时候再向内核发出信号(变内核主动为硬件主动)。这就是中断机制。
1.2 中断的表示形式
硬件设备生成中断的时候并不考虑与处理器的时钟同步—换句话说就是中断随时可以产生。因此，内核随时可能因为新到来的中断而被打断。
从物理学的角度看，中断是一种电信号，由硬件设备生成，并直接送入中断控制器的输入引脚上。然后再由中断控制器向处理器发送相应的信号。处理器一经检测到此信号，便中断自己的当前工作转而处理中断。此后，处理器会通知操作系统已经产生中断，这样，操作系统就可以对这个中断进行适当的处理了。
不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个惟一的数字标识。因此，来自键盘的中断就有别干来自硬盘的中断，从而使得操作系统能够对中断进行区分，并知道哪个硬件设备产生了哪个中断。这样，操作系统才能给不同的中断提供不同的中断处理程序。
这些中断值通常被为中断请求(IRQ)线。通常IRQ都是一些数值量。例如在PC上，IRQ0是时钟中断，而IRQ 1是键盘中断。但并非所有的中断号都是这样严格定义的。例如，对于连接在PCI总线上的设备而言，中断是动态分配的。而在嵌入式系统中，由于中断线有限，一般外设和中断都是一一匹配的，很少有动态分配中断的。不管怎样，重点在于特定的中断总是与特定的设备相关联，并且内核要知道这些信息。
1.3 异常
在操作系统中，讨论中断就不能不提及异常。广义的中断可分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：
同步中断：是当指令执行时由 CPU 控制单元产生，之所以称为同步，是因为只有在一条指令执行完毕后 CPU 才会发出中断，而不是发生在代码指令执行期间，比如系统调用。
异步中断：是指由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机产生，即意味着中断能够在指令之间发生，例如键盘中断。
一般由处理器本身产生的同步中断称为异常（exception），异步中断被称为中断（interrupt）。中断可分为可屏蔽中断（Maskable interrupt）和非屏蔽中断（Nomaskable interrupt）。异常可分为故障（fault）、陷阱（trap）、终止（abort）三类。
表 1：中断类别及其行为
类别
原因
异步/同步
返回行为
中断
来自I/O设备的信号
异步
总是返回到下一条指令
陷阱
有意的异常
同步
总是返回到下一条指令
故障
潜在可恢复的错误
同步
返回到当前指令
终止
不可恢复的错误
同步
不会返回
在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令(例如被0除)的时候，或者是在执行期间出现特殊情况(例如缺页)，必须靠内核来处理的时候，处理器就会产生一个异常。因为许多处理器体系结构处理异常与处理中断的方式类似，因此，内核对它们的处理也很类似。
通过软中断实现系统调用，那就是陷人内核，然后引起一种特殊的异常—系统调用处理程序异常。你将会看到，中断的工作方式与之类似，其差异只在于中断是由硬件而不是软件引起的。
1.4 中断处理程序
在响应一个特定中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序(interrupt handler)或中断服务例程(interrupt service routine, ISR)。产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序。
在Linux中，中断处理程序看起来就是普普通通的C函数。只不过这些函数必须按照特定的类型声明，以便内核能够以标准的方式传递处理程序的信息。中断处理程序与其他内核函数的真正区别在于：中断处理程序是被内核调用来响应中断的，而它们运行于我们称之为中断上下文的特殊上下文中。
中断可能随时发生，因此中断处理程序也就随时可能执行。所以必须保证中断处理程序能够快速执行，这样才能保证尽可能快地恢复中断代码的执行。因此，尽管对硬件而言，迅速对其中断进行服务非常重要，但对系统的其他部分而言，让中断处理程序在尽可能短的时间内完成运行也同样重要。
即使是最精简版的中断服务程序，它也要与硬件进行交互，告诉该设备中断已被接收。我们可以考虑一下网络设备的中断处理程序面临的挑战。该处理程序除了要对硬件应答，还要把来自硬件的网络数据包拷贝到内存，对其进行处理后再交给合适的协议栈或应用程序。显而易见，这种工作量不会太小，尤其对于如今的千兆比特和万兆比特以太网卡而言。
因此我们一般把中断处理切为两个部分或两半。中断处理程序是上半部 (top half)—接收到一个中断，它就立即开始执行，但只做有严格时限的工作，例如对接收的中断进行应答或复位硬件，这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成的。能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部(bottom half)去。此后，在合适的时机，下半部会被开中断执行。
以网卡作为实例，当网卡接收流入网络的数据包时，需要通知内核数据包到了。网卡需要立即完成这件事，从而优化网络的吞吐量和传输周期，以避免超时。因此，网卡立即发出中断:嘀，内核，我这里有最新数据包了。内核通过执行网卡已注册的中断处理程序来做出应答。
中断开始执行，应答硬件，拷贝最新的网络数据包到内存，然后读取网卡更多的数据包。这些都是重要、紧迫而又与硬件相关的工作。处理和操作数据包的其他工作在随后的下半部中进行。
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