Linux 中断机制深度分析

Linux 中断机制深度分析

1. 中断工作原理

核心流程：

1. 设备触发中断信号
2. CPU 通过中断控制器接收中断
3. 查询中断描述符表 (IDT) 获取处理程序地址
4. 保存当前执行上下文
5. 执行中断服务例程 (ISR)
6. 恢复上下文并返回

类型	触发源	特点	典型场景	处理函数示例
外部硬件中断	I/O设备、定时器等	异步触发，通过中断控制器传递	键盘输入、网络包到达	request_irq()注册的ISR
处理器异常	CPU执行指令错误	同步触发，精确异常定位	除零错误、缺页异常、非法指令	do_page_fault()
软件中断(INT)	程序显式调用	同步触发，用于系统调用	用户态调用syscall	entry_SYSCALL_64()
处理器间中断	其他CPU核	核间通信机制	SMP负载均衡、TLB刷新	smp_call_function()
不可屏蔽中断	硬件故障	最高优先级，不可屏蔽	内存ECC错误、硬件看门狗超时	nmi_handler()

2. 实现机制与代码框架

分层处理：

层级	上下文	可抢占	延迟要求	典型应用
上半部	中断上下文	不可	纳秒级	硬件寄存器操作
下半部	进程/软中断	可	毫秒级	数据处理、协议栈

3. 核心数据结构

// 中断描述符 (kernel/irq/internals.h)
struct irq_desc {struct irq_data     irq_data;irq_flow_handler_t  handle_irq;  // 流控处理函数struct irqaction    *action;     // 中断处理链表raw_spinlock_t      lock;// ...
};// 中断处理动作 (include/linux/interrupt.h)
struct irqaction {irq_handler_t handler;           // ISR 函数指针void *dev_id;                    // 设备标识符struct irqaction *next;          // 共享中断链表unsigned int irq;                // 中断号unsigned long flags;             // 标志位// ...
};

4. 中断注册源码示例

// 注册中断处理函数 (kernel/irq/manage.c)
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev)
{struct irqaction *action;action = kzalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_KERNEL);action->handler = handler;action->flags = flags;action->name = name;action->dev_id = dev;return __setup_irq(irq, desc, action);
}

5. 简单实例：GPIO 按键中断

#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio.h>#define GPIO_BTN 17
static int irq_num;// 中断处理函数
static irqreturn_t btn_isr(int irq, void *dev_id) {printk("Button pressed!\n");return IRQ_HANDLED;
}static int __init btn_init(void) {int ret;irq_num = gpio_to_irq(GPIO_BTN);ret = request_irq(irq_num, btn_isr, IRQF_TRIGGER_RISING, "my_button", NULL);return ret;
}static void __exit btn_exit(void) {free_irq(irq_num, NULL);
}module_init(btn_init);
module_exit(btn_exit);

6. 调试工具与命令

命令	功能描述
cat /proc/interrupts	查看所有中断的统计信息
cat /proc/irq/<IRQ>/spurious	查看指定IRQ的伪中断统计
irqtop	动态显示中断频率（需安装）
trace-cmd record -e irq	使用ftrace跟踪中断事件

调试技巧：

1. 中断风暴检测：

watch -n1 "cat /proc/interrupts | grep eth0"

2. 软中断监控：

watch -n1 "cat /proc/softirqs"

3. 中断绑定CPU：

echo 3 > /proc/irq/128/smp_affinity  # 绑定到CPU2 (0x3=二进制0011)

7. 中断处理流程图解

8. 中断聚合核心原理

中断聚合通过以下方式优化性能：

• 时间聚合：设置时间窗口（如 100μs），窗口内事件合并
• 数量聚合：达到预设事件数量（如 32 个数据包）才触发中断
• 智能平衡：动态调整参数实现延迟与吞吐的平衡

8.1 技术实现架构

核心组件交互：

组件	作用	聚合实现位置
网卡硬件	事件检测	硬件计数器/计时器
驱动层	参数配置	寄存器设置
内核	事件处理	NAPI机制
应用层	参数调整	ethtool控制

8.3 网络中断聚合实现（以Intel千兆网卡为例）

关键寄存器：

寄存器	地址	功能	位域
ITR (中断节流)	0x00C8	控制中断频率	[15:0] 间隔值
RADV (Rx延迟)	0x282C	Rx中断延迟	[15:0] 微秒值
TADV (Tx延迟)	0x382C	Tx中断延迟	[15:0] 微秒值

驱动层代码实现：

// drivers/net/ethernet/intel/e1000e/netdev.c
static void e1000e_set_itr(struct e1000_adapter *adapter)
{u32 new_itr = adapter->itr;// 自适应算法计算新ITR值if (adapter->itr_setting == 1) {if (adapter->total_rx_packets < 10000) new_itr = 10000;  // 低流量模式else new_itr = max(4000, 2000000 / adapter->total_rx_packets);} else {new_itr = adapter->itr_setting;}// 写入硬件寄存器ew32(ITR, new_itr);
}

9. 下半部机制对比

机制	执行上下文	并行性	睡眠允许	适用场景
SoftIRQ	中断上下文	完全并行	否	网络接收等高吞吐场景
Tasklet	中断上下文	同类型串行	否	通用设备驱动
Workqueue	进程上下文	线程池调度	是	需要睡眠的操作
Threaded IRQ	进程上下文	每个IRQ独立	是	复杂中断处理

10. 高级调试：FTrace 跟踪

# 启用中断跟踪
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/irq/enable
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe

输出示例：

irq/35-iwlwifi-1575  [000] d.h1. 632.123456: irq_handler_entry: irq=35 name=wl_wq
irq/35-iwlwifi-1575  [000] d.h1. 632.123459: irq_handler_exit: irq=35 ret=handled

最佳实践：

1. 上半部执行时间控制在 10μs 以内
2. 共享中断需设置 IRQF_SHARED 标志
3. 避免在中断上下文中调用 kmalloc(GFP_KERNEL)
4. 高频率中断使用 NAPI 或中断聚合技术