Linux中断（interrupt）子系统之一：中断系统基本原理

这个中断系列文章主要针对移动设备中的Linux进行讨论，文中的例子基本都是基于ARM这一体系架构，其他架构的原理其实也差不多，区别只是其中的硬件抽象层。内核版本基于3.3。虽然内核的版本不断地提升，不过自从上一次变更到当前的通用中断子系统后，大的框架性的东西并没有太大的改变。

1. 设备、中断控制器和CPU

一个完整的设备中，与中断相关的硬件可以划分为3类，它们分别是：设备、中断控制器和CPU本身，下图展示了一个smp系统中的中断硬件的组成结构：

　　图 1.1 中断系统的硬件组成

设备 设备是发起中断的源，当设备需要请求某种服务的时候，它会发起一个硬件中断信号，通常，该信号会连接至中断控制器，由中断控制器做进一步的处理。在现代的移动设备中，发起中断的设备可以位于soc(system-on-chip)芯片的外部，也可以位于soc的内部，因为目前大多数soc都集成了大量的硬件IP，例如I2C、SPI、Display Controller等等。

中断控制器 中断控制器负责收集所有中断源发起的中断，现有的中断控制器几乎都是可编程的，通过对中断控制器的编程，我们可以控制每个中断源的优先级、中断的电器类型，还可以打开和关闭某一个中断源，在smp系统中，甚至可以控制某个中断源发往哪一个CPU进行处理。对于ARM架构的soc，使用较多的中断控制器是VIC(Vector Interrupt Controller)，进入多核时代以后，GIC(General Interrupt Controller)的应用也开始逐渐变多。

CPU cpu是最终响应中断的部件，它通过对可编程中断控制器的编程操作，控制和管理者系统中的每个中断，当中断控制器最终判定一个中断可以被处理时，他会根据事先的设定，通知其中一个或者是某几个cpu对该中断进行处理，虽然中断控制器可以同时通知数个cpu对某一个中断进行处理，实际上，最后只会有一个cpu相应这个中断请求，但具体是哪个cpu进行响应是可能是随机的，中断控制器在硬件上对这一特性进行了保证，不过这也依赖于操作系统对中断系统的软件实现。在smp系统中，cpu之间也通过IPI(inter processor interrupt)中断进行通信。

2. IRQ编号

系统中每一个注册的中断源，都会分配一个唯一的编号用于识别该中断，我们称之为IRQ编号。IRQ编号贯穿在整个Linux的通用中断子系统中。在移动设备中，每个中断源的IRQ编号都会在arch相关的一些头文件中，例如arch/xxx/mach-xxx/include/irqs.h。驱动程序在请求中断服务时，它会使用IRQ编号注册该中断，中断发生时，cpu通常会从中断控制器中获取相关信息，然后计算出相应的IRQ编号，然后把该IRQ编号传递到相应的驱动程序中。

3. 在驱动程序中申请中断

Linux中断子系统向驱动程序提供了一系列的API，其中的一个用于向系统申请中断：

[cpp] view plain copyint request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,

irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,

const char *devname, void *dev_id)

其中，

irq是要申请的IRQ编号，

handler是中断处理服务函数，该函数工作在中断上下文中，如果不需要，可以传入NULL，但是不可以和thread_fn同时为NULL;

thread_fn是中断线程的回调函数，工作在内核进程上下文中，如果不需要，可以传入NULL，但是不可以和handler同时为NULL;

irqflags是该中断的一些标志，可以指定该中断的电气类型，是否共享等信息;

devname指定该中断的名称;

dev_id用于共享中断时的cookie data，通常用于区分共享中断具体由哪个设备发起;

关于该API的详细工作机理我们后面再讨论。

4. 通用中断子系统(Generic irq)的软件抽象

在通用中断子系统(generic irq)出现之前，内核使用__do_IRQ处理所有的中断，这意味着__do_IRQ中要处理各种类型的中断，这会导致软件的复杂性增加，层次不分明，而且代码的可重用性也不好。事实上，到了内核版本2.6.38，__do_IRQ这种方式已经彻底在内核的代码中消失了。通用中断子系统的原型最初出现于ARM体系中，一开始内核的开发者们把3种中断类型区分出来，他们是：

电平触发中断(level type)

边缘触发中断(edge type)

简易的中断(simple type)

后来又针对某些需要回应eoi(end of interrupt)的中断控制器，加入了fast eoi type，针对smp加入了per cpu type。把这些不同的中断类型抽象出来后，成为了中断子系统的流控层。要使所有的体系架构都