Linux中断的全面介绍与分析

一、中断的概念与原理

中断是指CPU在执行某个程序时，由外部事件或内部事件引起暂停执行当前程序，转而去执行相应的响应程序，等响应程序执行完毕后，再返回当前被中断的程序继续执行，中断是实时响应事件的一种重要方式。

在Linux系统中，应用程序、操作系统内核和硬件设备之间都会使用中断机制来通信，中断也是Linux系统运行中一个至关重要的概念。当外部设备发生某种事件时，设备通过发送一个信号给中断控制器，中断控制器再把这个事件传递给处理器从而引发中断处理。

二、中断分类

按照中断源的不同，中断可以分为总线中断、外部中断和异常中断三类。

1. 总线中断

总线中断是指外设通过中断控制器向处理器发送中断请求，由中断控制器转交到处理器上，最终由中断处理程序处理。中断控制器会通过中断中介芯片来交换信号。

static irqreturn_t foo_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    // 中断处理代码
    return IRQ_HANDLED;
}

2. 外部中断

外部中断是指由外部设备直接通过与处理器相连的引脚向处理器发送中断请求，比如键盘、鼠标、网卡等外设。处理器收到中断请求后会停止当前程序向相应的中断处理程序转入，执行完中断处理程序后再恢复之前被中断的程序的执行。

asmlinkage void do_IRQ(int irq)
{
    // ...中断处理函数代码省略...
    irq_entries[irq]();
    // ...中断处理函数代码省略...
    ack_APIC_irq();
}

3. 异常中断

异常中断又称处理器异常，是指当程序运行时发现某些不正常的情况，比如除数为0、非法的指令、段错误等，就会产生异常中断。这种中断请求并不来自外部设备或总线，而是由CPU自己发起的。

void do_trap(int trapnr, struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
{
    // ...中断处理函数代码省略...
    // 处理完异常中断后就返回
    regs->ip += 2;
}

三、中断的处理方式

Linux中断的处理方式可以分为顶半部和底半部两个部分。

1. 顶半部

顶半部是中断的第一个处理环节，主要负责保存中断现场、处理中断请求、更新数据结构等任务。顶半部是在中断上下文中运行的，因此对中断处理的时间有严格要求。

irqreturn_t do_IRQ(int irq, struct pt_regs *regs)
{
    // ...顶半部代码省略...
    ret = handle_IRQ_event(irq, desc);
    // ...顶半部代码省略...
}

2. 底半部

底半部是中断处理的第二个部分，顶半部处理完中断请求之后，将任务交给底半部继续执行。底半部通常用于延迟处理、异步通知等任务，运行在进程上下文中。底半部通常会启动一个软中断任务来完成具体的操作。

irqreturn_t foo_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    // ...顶半部代码省略...
    tasklet_schedule(&foo_tasklet);
    // ...顶半部代码省略...
}
static void foo_tasklet_handler(unsigned long data)
{
    // ...底半部代码省略...
}
DECLARE_TASKLET(foo_tasklet, foo_tasklet_handler, 0);

四、中断代码编写注意事项

1. 中断处理代码不应该睡眠

在中断处理顶半部代码中不应该进行睡眠等待操作。如果需要进行复杂操作，应该把操作放到底半部处理，避免中断处理过程时间过长。

2. 中断处理代码需要保证原子性

在中断处理代码中需要保证原子性，避免竞争条件的发生。在编写中断处理程序时，应该禁用本地中断，这样可以避免出现并发问题。

3. 不要滥用中断

中断是实时响应事件的一种方式，但是在实际编程中不应该滥用中断机制，过多的中断请求会占用CPU资源，影响系统的性能。应该合理使用中断机制，避免中断冲突和资源竞争。

五、总结

本文对Linux中断的概念、原理、分类、处理方式和代码编写注意事项等方面进行了全面的介绍和分析。中断作为Linux系统运行中一个至关重要的模块，是实时响应事件的一种重要方式。