深入研究Linux内核中断处理机制：中断优先级与处理程序

Linux内核中，中断优先级由硬件和内核共同管理。处理程序是内核中特定的函数，用于响应特定中断。高优先级中断可抢占低优先级处理。

深入研究Linux内核中断处理机制：中断优先级与处理程序

引言

在Linux操作系统中，中断是处理器响应硬件设备事件的一种机制，当一个外部事件发生时（如按键、网络数据到达等），硬件设备会发送一个信号给处理器，导致处理器中断当前的任务并转而执行一个特定的中断处理程序，这一过程称为中断处理，它是实时计算和多任务操作系统的基础。

中断的类型

在Linux中，中断分为两种类型：

1、硬件中断：由物理设备产生的中断，如键盘输入、网络接口收到数据包等。

2、软件中断：通常指异常（exceptions）和陷入（traps），由CPU执行指令流中的异常或陷入指令产生。

中断优先级

中断被分配了一个优先级，用以确定它们之间的处理顺序，通常，中断优先级是由硬件设计和中断控制器的配置决定的，高优先级的中断会抢占低优先级的中断处理。

中断处理程序

每个中断都关联有一个中断处理程序，它定义了如何响应该中断，在Linux中，中断处理程序通常是以底半部（bottom half）和顶半部（top half）的形式存在，顶半部处理紧急和关键的任务，而底半部负责延迟和非关键的任务。

顶半部（Top Half）

快速处理，最小化阻塞时间。

通常禁用中断，避免嵌套中断。

处理硬件紧急事件，如硬件复位。

调用底半部处理程序进行进一步处理。

底半部（Bottom Half）

执行较慢，可能会睡眠。

通常在进程上下文中运行，可被调度器管理。

完成设备驱动程序中非紧急的任务，如数据拷贝。

中断处理流程

以下是Linux内核中断处理的典型流程：

1、检测中断：处理器检测到中断信号。

2、保存状态：处理器自动保存当前执行环境。

3、识别中断：通过中断向量查找对应的中断处理程序。

4、进入顶半部：执行顶半部代码，快速响应硬件事件。

5、调用底半部：如果需要，从顶半部切换到底半部处理。

6、返回用户空间：处理完成后，恢复先前的用户执行环境。

中断编程接口

Linux提供了一些系统调用和机制，允许开发者注册自己的中断处理程序：

request_irq：注册一个新的中断处理程序。

free_irq：注销已注册的中断处理程序。

disable_irq 和 enable_irq：分别用于禁止和允许特定中断。

相关问题与解答

Q1: 什么是中断的顶半部和底半部？

A1: 中断处理被分为两个部分，顶半部负责快速处理硬件事件，立即执行并且通常不允许被打断；底半部负责执行延迟的、非紧急的任务，它可以被放入队列中稍后执行，允许睡眠和重新调度。

Q2: 如何处理中断嵌套的情况？

A2: 当一个中断处理程序正在执行时发生另一个中断，就会产生中断嵌套，Linux通过几种方式处理这种情况：一种方法是使能中断嵌套，即允许更高优先级的中断打断当前的中断处理；另一种方法是在顶半部处理程序中临时禁用中断，防止嵌套，但这种方法会增加延迟，正确设计中断处理程序以保持它们的执行尽可能快且简短，可以减少因中断嵌套引起的问题。