6. 中断处理

概述

中断是硬件与操作系统内核通信的核心机制。当硬件设备需要 CPU 注意时，会通过中断信号线向 CPU 发送请求。Linux 内核采用分阶段处理策略来响应中断：

• 上半部（Hard IRQ）：在硬件中断上下文中执行，快速响应，禁止抢占
• 下半部：在稍后执行，处理耗时操作，允许睡眠

6.1 上半部 vs 下半部

6.1.1 为什么需要分阶段处理？

设计原则：

• 上半部只做必须立即完成的事情：读硬件寄存器、应答中断
• 下半部处理耗时操作：数据处理、拷贝、与设备协议交互

6.1.2 软中断（Softirq）

软中断是下半部的基础机制，在内核编译时静态定义。软中断类型在 include/linux/interrupt.h:532-546 定义：

enum{HI_SOFTIRQ=0,// 高优先级软中断TIMER_SOFTIRQ,// 定时器软中断NET_TX_SOFTIRQ,// 网络发送软中断NET_RX_SOFTIRQ,// 网络接收软中断BLOCK_SOFTIRQ,// 块设备软中断IRQ_POLL_SOFTIRQ,// IRQ轮询软中断TASKLET_SOFTIRQ,// Tasklet软中断SCHED_SOFTIRQ,// 调度软中断HRTIMER_SOFTIRQ,// 高精度定时器软中断RCU_SOFTIRQ,// RCU软中断NR_SOFTIRQS};

软中断数据结构

每个 CPU 维护一个软中断向量表 include/linux/interrupt.h:565-568：

structsoftirq_action{void(*action)(structsoftirq_action*);};

软中断执行流程

核心处理函数在 kernel/softirq.c:260：

asmlinkage __visiblevoid__softirq_entry__do_softirq(void){structsoftirq_action*h;__u32 pending;pending=local_softirq_pending();// 获取待处理软中断位图h=softirq_vec;while((softirq_bit=ffs(pending))){h+=softirq_bit-1;h->action(h);// 调用软中断处理函数pending>>=softirq_bit;}}

执行时机：

1. 上半部退出时（如果in_interrupt()为 false）
2. ksoftirqd内核线程被唤醒时
3. 明确调用do_softirq()时

软中断注册

// kernel/softirq.c:654-655open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ,tasklet_action);open_softirq(HI_SOFTIRQ,tasklet_hi_action);

6.1.3 Tasklet

Tasklet 是基于软中断的动态下半部机制，主要特点：

• 同一个 Tasklet同一时刻只能在一个 CPU 上运行
• 不同 Tasklet可以并行在不同 CPU 上运行
• 不能睡眠

Tasklet 数据结构

定义在 include/linux/interrupt.h:620-631：

structtasklet_struct{structtasklet_struct*next;// 链表下一节点unsignedlongstate;// 状态（0/TASKLET_STATE_SCHED）atomic_tcount;// 引用计数（0=使能，非0=禁用）bool use_callback;// 是否使用新式callback APIunion{void(*func)(unsignedlongdata);// 旧式处理函数void(*callback)(structtasklet_struct*t);// 新式处理函数};unsignedlongdata;};

Tasklet 使用示例

// 定义和初始化DECLARE_TASKLET(my_tasklet,my_tasklet_handler);// 或者动态初始化structtasklet_structmy_tasklet;tasklet_setup(my_tasklet,my_tasklet_callback);// 调度 Tasklettasklet_schedule(&my_tasklet);// 处理函数voidmy_tasklet_callback(structtasklet_struct*t){// 这里不能睡眠printk("Tasklet running on CPU %d\n",smp_processor_id());}

Tasklet 执行流程

kernel/softirq.c:548-592：

staticvoidtasklet_action_common(structsoftirq_action*a,structtasklet_head*tl_head,unsignedintsoftirq_nr){structtasklet_struct*list;// 取出所有待处理的 taskletlist=tl_head->head;tl_head->head=NULL;while(list){structtasklet_struct*t=list;list=list->next;if(tasklet_trylock(t)){// 尝试获取锁（防止多CPU并发）if(!atomic_read(&t->count)){// 检查是否被禁用t->callback(t);// 执行 tasklettasklet_unlock(t);continue;}tasklet_unlock(t);}// 如果正在其他CPU运行，重新调度t->next=NULL;*tl_head->tail=t;__raise_softirq_irqoff(softirq_nr);}}

6.1.4 工作队列（Workqueue）

工作队列是最灵活的下半部机制，特点：

• 在内核进程上下文中执行
• 可以睡眠（调用msleep()、等待信号量等）
• 可以延迟执行

工作队列数据结构