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中斷是大家用的最多的功能，不管是單片機(jī)還是 Linux 系統(tǒng)，都需要用到中斷，對它的深入理解是非常必要的。

為什么需要中斷?

答案：處理器的速度比外設(shè)快很多，內(nèi)核必須要處理其他任務(wù)，只有當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好了，CPU才轉(zhuǎn)過來處理外設(shè)的事務(wù)。

一般通訊方式為：輪詢(polling)、中斷(interrupt)，除了網(wǎng)絡(luò)傳輸適合用輪詢外，一般其他情況都是用中斷。

中斷分類

中斷是指 CPU 正常運行期間，由于內(nèi)外部事件或程序預(yù)先安排的事件，引起的 CPU 暫時停止正在運行的程序，轉(zhuǎn)而為該內(nèi)部或外部預(yù)先安排的事件服務(wù)的程序中去，服務(wù)完畢后再返回去繼續(xù)執(zhí)行被暫時中斷的程序。

常說的中斷其實是第一種，異步中斷。

陷阱就是系統(tǒng)調(diào)用，從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài)，比如調(diào)用 open、write 等系統(tǒng)調(diào)用，也算中斷。這兩種很正常，所以會返回到下一條指令。

故障就是遇到了內(nèi)存缺頁等情況，會返回到當(dāng)前指令繼續(xù)執(zhí)行，看看內(nèi)核是否會修復(fù)完畢，如果修復(fù)不了就掛掉了。終止就是系統(tǒng)直接掛掉了。

中斷子系統(tǒng)硬件架構(gòu)

一個完整的設(shè)備中，與中斷相關(guān)的硬件可以劃分為3類，它們分別是：設(shè)備、中斷控制器和CPU本身。

設(shè)備：設(shè)備是發(fā)起中斷的源，當(dāng)設(shè)備需要請求某種服務(wù)的時候，它會發(fā)起一個硬件中斷信號，通常，該信號會連接至中斷控制器，由中斷控制器做進(jìn)一步的處理。在現(xiàn)代的移動設(shè)備中，發(fā)起中斷的設(shè)備可以位于soc(system-on-chip)芯片的外部，也可以位于芯片的內(nèi)部，因為目前大多數(shù) soc 都集成了大量的硬件 IP，例如 I2C、SPI、Display Controller 等等，就是內(nèi)部中斷源。

中斷控制器：中斷控制器負(fù)責(zé)收集所有中斷源發(fā)起的中斷，現(xiàn)有的中斷控制器幾乎都是可編程的，通過對中斷控制器的編程，我們可以控制每個中斷源的優(yōu)先級、中斷的電氣類型，還可以打開和關(guān)閉某一個中斷源，在smp系統(tǒng)中，甚至可以控制某個中斷源發(fā)往哪一個 CPU 進(jìn)行處理。對于 ARM 架構(gòu)的 soc，使用較多的中斷控制器是VIC(Vector Interrupt Controller)，進(jìn)入多核時代以后，GIC(General Interrupt Controller)的應(yīng)用也開始逐漸變多。STM32 單片機(jī)的中斷控制器叫 NVIC，ARM架構(gòu)的中斷控制器一般為GIC，不同架構(gòu)有不同的中斷控制器。

CPU：最終響應(yīng)中斷的部件，它通過對可編程中斷控制器的編程操作，控制和管理者系統(tǒng)中的每個中斷，當(dāng)中斷控制器最終判定一個中斷可以被處理時，他會根據(jù)事先的設(shè)定，通知其中一個或者是某幾個 cpu 對該中斷進(jìn)行處理，雖然中斷控制器可以同時通知數(shù)個 cpu 對某一個中斷進(jìn)行處理，實際上，最后只會有一個 cpu 相應(yīng)這個中斷請求，但具體是哪個 cpu 進(jìn)行響應(yīng)是可能是隨機(jī)的，中斷控制器在硬件上對這一特性進(jìn)行了保證，不過這也依賴于操作系統(tǒng)對中斷系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。

為什么需要中斷控制器?

CPU 要做的事情主要是運算。一個 CPU 有很多個中斷可以使用，他們之間也有優(yōu)先級。由于中斷過多，我們需要中斷進(jìn)入 CPU 處理之前，先進(jìn)入中斷控制器，讓中斷控制器來控制中斷的優(yōu)先級、觸發(fā)方式、enable 和 disable等，為CPU減輕負(fù)擔(dān)，讓CPU專注于運算。

中斷控制器的級聯(lián)

根據(jù)中斷數(shù)量的不同，中斷控制器可以級聯(lián)，以此來滿足需求。比如在 GIC 中斷控制器之前都會連接 EINT 中斷控制器，或者其他中斷控制器，對不同的中斷分級管控。

中斷控制器的級聯(lián)有兩種類型：

機(jī)器級別的級聯(lián)，級聯(lián)的初始化代碼理所當(dāng)然地位于板子的初始化代碼中(arch/xxx/mach-xxx)，因為只要是使用這個板子或SOC的設(shè)備，必然要使用這個子控制器。

設(shè)備級別的級聯(lián)，因為該設(shè)備并不一定是系統(tǒng)的標(biāo)配設(shè)備，所以中斷控制器的級聯(lián)操作應(yīng)該在該設(shè)備的驅(qū)動程序中實現(xiàn)。

機(jī)器設(shè)備的級聯(lián)，因為得益于事先已經(jīng)知道子控制器的硬件連接信息，內(nèi)核可以方便地為子控制器保留相應(yīng)的 irq_desc 結(jié)構(gòu)和 irq 編號，處理起來相對簡單。

設(shè)備級別的級聯(lián)則不一樣，驅(qū)動程序必須動態(tài)地決定組合設(shè)備中各個子設(shè)備的 irq 編號和 irq_desc 結(jié)構(gòu)。我只討論機(jī)器級別的級聯(lián)，設(shè)備級別的關(guān)聯(lián)可以使用同樣的原理。

中斷子系統(tǒng)架構(gòu)

整個中斷子系統(tǒng)的架構(gòu)分為 4 層，最底層(第四層)為硬件，包括 CPU、中斷控制器。第三層是 CPU 的驅(qū)動和中斷控制器的驅(qū)動，由芯片原廠負(fù)責(zé)。第二層是 Linux 內(nèi)核提供的通用中斷處理模塊，這一層存在的意義在于，希望用戶在第一層寫的驅(qū)動在移植的時候更方便，保持接口不變，不讓用戶直接使用芯片原廠的 API，而是 Linux 的 API。第一層就是驅(qū)動工程師日常寫的驅(qū)動啦。