[linux] Linux系统中断机制详解及用户空间中断使用方法

Linux系统中断机制详解及用户空间中断使用方法

文章目录

• • • Linux系统中断机制详解及用户空间中断使用方法
    • • 一、Linux中断机制概述
      • 二、用户空间使用中断的5种方法
      • • 方法1：系统调用（软件中断）
        • 方法2：信号处理（模拟软中断）
        • 方法3：UIO（用户空间I/O）
        • [方法4：eventfd + epoll（高效事件通知）](#方法4：eventfd + epoll（高效事件通知）)
        • 方法5：VFIO（安全硬件访问）
      • 三、性能对比
      • 四、中断调试工具
      • 五、最佳实践

一、Linux中断机制概述

中断是CPU响应硬件事件的机制，分为：

1. 硬中断：由硬件设备触发（如键盘、网卡）
2. 软中断：由软件指令触发（如系统调用）
3. 异常：CPU执行指令时产生的错误（如缺页异常）

中断处理流程：

1. 硬件发送中断信号到中断控制器
2. CPU保存当前上下文，跳转到中断向量表
3. 执行中断服务程序（ISR）
4. 恢复上下文继续执行

内核中断处理分层：

• 上半部（Top Half）：紧急处理，在中断禁用状态下执行
• 下半部（Bottom Half）：延迟处理，包括软中断、tasklet和工作队列

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二、用户空间使用中断的5种方法

方法1：系统调用（软件中断）

#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    long ret = syscall(SYS_getpid);  // 触发软中断0x80/syscall
    printf("PID via syscall: %ld\n", ret);
    return 0;
}

方法2：信号处理（模拟软中断）

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

void sigint_handler(int sig) {
    printf("Received SIGINT! Signal number: %d\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, sigint_handler);  // 注册中断处理器
    printf("Send interrupt with: kill -SIGINT %d\n", getpid());
    pause();  // 等待中断
    return 0;
}

方法3：UIO（用户空间I/O）

内核模块（需root加载）：

#include <linux/uio_driver.h>

static struct uio_info kpart_info = {
    .name = "kpart",
    .version = "1.0",
    .irq = UIO_IRQ_CUSTOM,  // 自定义中断
};

static irqreturn_t kpart_handler(int irq, struct uio_info *dev_info) {
    return IRQ_HANDLED;
}

static int __init kpart_init(void) {
    kpart_info.handler = kpart_handler;
    return uio_register_device(NULL, &kpart_info);
}
module_init(kpart_init);

用户空间程序：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int uio_fd = open("/dev/uio0", O_RDONLY);
    unsigned int irq_count;
    
    while (1) {
        read(uio_fd, &irq_count, sizeof(irq_count));  // 阻塞等待中断
        printf("Hardware interrupt received! Count: %u\n", irq_count);
    }
    close(uio_fd);
    return 0;
}

方法4：eventfd + epoll（高效事件通知）

#include <sys/epoll.h>
#include <sys/eventfd.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int efd = eventfd(0, 0);  // 创建事件文件描述符
    int epfd = epoll_create1(0);
    
    struct epoll_event ev = {
        .events = EPOLLIN,
        .data.fd = efd
    };
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, efd, &ev);

    // 模拟中断触发（实际由内核模块调用eventfd_signal）
    uint64_t u = 1;
    write(efd, &u, sizeof(u));  // 触发事件

    struct epoll_event events[1];
    epoll_wait(epfd, events, 1, -1);  // 等待中断
    
    uint64_t v;
    read(efd, &v, sizeof(v));  // 清除通知
    printf("Eventfd interrupt received! Value: %lu\n", v);
    
    close(epfd);
    close(efd);
    return 0;
}

方法5：VFIO（安全硬件访问）

#include <linux/vfio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int container = open("/dev/vfio/vfio", O_RDWR);
    ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION);  // 验证API
    
    int group = open("/dev/vfio/1", O_RDWR);
    ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container);
    
    int device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:01:00.0");
    struct vfio_irq_set irq_set = {
        .argsz = sizeof(irq_set),
        .flags = VFIO_IRQ_SET_DATA_EVENTFD | VFIO_IRQ_SET_ACTION_TRIGGER,
        .index = VFIO_PCI_MSI_IRQ_INDEX,
        .start = 0,
        .count = 1,
    };
    int event_fd = eventfd(0, 0);
    irq_set.data = &event_fd;
    ioctl(device, VFIO_DEVICE_SET_IRQS, &irq_set);  // 注册中断
    
    // 等待中断（同eventfd示例）
    close(device);
    return 0;
}

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三、性能对比

方法	延迟	安全性	复杂度	适用场景
系统调用	100-200ns	高	低	通用服务调用
信号处理	1-10μs	中	中	进程间通知
UIO	5-20μs	低	高	自定义硬件驱动
eventfd/epoll	1-5μs	高	中	高性能事件通知
VFIO	5-15μs	高	高	虚拟机/安全硬件访问

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四、中断调试工具

1. 查看系统中断 ：

   cat /proc/interrupts

2. 跟踪中断延迟 ：

   sudo trace-cmd record -e irq

3. 实时监控 ：

   watch -n 1 'cat /proc/softirqs'

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五、最佳实践

1. 优先选择eventfd/epoll组合实现高吞吐
2. 关键任务使用VFIO保证安全性
3. 避免在信号处理中执行复杂操作
4. UIO开发需配合内核模块签名
5. 实时系统考虑PREEMPT_RT补丁

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研究学习不易，点赞易。
工作生活不易，收藏易，点收藏不迷茫 ：）

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