Linux 中断注册机制详解
Linux 操作系统的中断管理是内核的核心功能之一，它允许硬件设备通过中断信号通知 CPU 处理异步事件，中断注册作为中断处理流程的首要步骤，涉及驱动程序与内核中断子系统的交互，本文将深入探讨 Linux 中断注册的基本概念、实现流程、关键函数及注意事项，帮助开发者理解如何正确、高效地注册中断处理程序。
中断的基本概念
中断是硬件向 CPU 发送的请求信号，用于暂停当前任务并转而处理紧急事件，在 Linux 中，中断分为硬中断（由硬件触发）和软中断（由软件触发），硬中断进一步分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断，其中可屏蔽中断是最常见的类型，由设备驱动程序管理，中断处理程序（Interrupt Service Routine, ISR）是内核中响应中断的函数，其执行效率直接影响系统性能。
中断注册的本质是将设备的中断号与对应的处理程序关联起来，并配置中断控制器（如 Intel 的 APIC 或 ARM 的 GIC），内核通过中断描述符表（Interrupt Descriptor Table, IDT）管理中断向量，而 Linux 则在此基础上抽象出中断子系统，为驱动程序提供统一的接口。
中断注册的核心函数
Linux 内核提供了 request_irq() 函数用于注册中断处理程序，其原型如下：
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
const char *name, void *dev);
- irq：要注册的中断号，通常通过设备树或平台资源获取。
- handler：中断处理函数指针，其原型为
irqreturn_t (*)(int, void *)。 - flags：中断标志位，如
IRQF_SHARED（共享中断）、IRQF_TRIGGER_RISING（上升沿触发）等。 - name：中断名称，用于
/proc/interrupts等工具显示。 - dev：设备标识符，用于共享中断时的区分，通常为设备结构体指针。
与 request_irq() 对应的是 free_irq()，用于注销中断处理程序，共享中断时，需确保所有处理程序均被注销后才会释放中断资源。
中断注册的流程
中断注册通常遵循以下步骤：
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获取中断号
中断号可通过设备树（Device Tree）、平台资源（Platform Resource）或 PCI 配置空间获取，在设备树中，中断属性通常以interrupts定义，内核会解析并分配唯一的中断号。 -
定义中断处理程序
中断处理函数需满足以下要求：
- 执行速度尽可能快，避免耗时操作（如睡眠）。
- 使用
irqreturn_t返回类型，明确处理结果（如IRQ_HANDLED或IRQ_NONE）。 - 对于共享中断，需检查是否为当前设备触发中断。
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配置中断标志
中断标志需根据硬件特性设置，按键设备通常使用IRQF_TRIGGER_FALLING（下降沿触发），而网卡可能使用IRQF_SHARED和IRQF_DISABLED（禁用本地 CPU 中断）。 -
注册中断
调用request_irq()注册中断，并检查返回值（成功返回 0，失败返回错误码）。ret = request_irq(irq, my_interrupt_handler, IRQF_SHARED, "my_device", dev); if (ret) { pr_err("Failed to request IRQ: %d\n", ret); return ret; } -
资源清理
在驱动卸载时，需调用free_irq()释放中断资源，避免内存泄漏。free_irq(irq, dev);
中断共享与线程化
Linux 支持多个设备共享同一个中断线，但需满足以下条件：
- 所有设备的中断标志兼容（如触发方式一致）。
- 处理程序通过
dev参数区分设备来源。 - 使用
IRQF_SHARED标志位。
对于复杂的中断处理（如需要等待硬件响应），Linux 提供了中断线程化机制，通过 IRQF_ONESHOT 标志位，可将中断处理程序放到内核线程中执行，允许睡眠操作。
request_irq(irq, threaded_handler, IRQF_ONESHOT, "my_device", dev);
中断注册的注意事项
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中断处理程序的约束
- 避免在 ISR 中调用可能睡眠的函数（如
kmalloc(GFP_KERNEL)）。 - 使用
spin_lock_irqsave()保护共享数据，避免死锁。
- 避免在 ISR 中调用可能睡眠的函数（如
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中断号的唯一性
确保中断号未被其他设备占用，可通过/proc/interrupts查看当前中断分配情况。
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错误处理
注册失败时需回滚资源（如释放已申请的 I/O 端口或内存）。 -
性能优化
对于高频中断（如网卡），尽量减少 ISR 中的逻辑，将任务延迟到软中断或工作队列中处理。
实例：字符设备驱动中断注册
以下是一个简单的字符设备驱动中断注册示例：
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/module.h>
static irqreturn_t my_interrupt_handler(int irq, void *dev_id) {
struct my_device *dev = dev_id;
// 处理中断逻辑
return IRQ_HANDLED;
}
static int __init my_driver_init(void) {
int irq;
struct my_device *dev = kmalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);
irq = platform_get_irq(pdev, 0); // 从平台设备获取中断号
if (irq < 0) {
pr_err("Failed to get IRQ\n");
return irq;
}
if (request_irq(irq, my_interrupt_handler, IRQF_SHARED,
"my_char_device", dev)) {
pr_err("Failed to register IRQ\n");
return -EIO;
}
return 0;
}
static void __exit my_driver_exit(void) {
free_irq(irq, dev);
kfree(dev);
}
module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
Linux 中断注册是驱动开发的基础环节，涉及中断号获取、处理程序定义、标志配置等多个步骤，正确理解和使用 request_irq()、free_irq() 等函数，遵循中断处理的约束和最佳实践，对于构建稳定高效的驱动程序至关重要，通过合理的中断管理，可以充分发挥硬件性能，确保 Linux 系统的实时性和可靠性。
