Linux中断、中断子系统、内核同步互斥机制

一、中断

1. 概念

中断：CPU 运行程序时，突发事件到来，CPU 暂停当前程序，跳转处理中断事件，处理完毕后返回原程序继续执行。

分类：内部中断（CPU 内部产生）、外部中断（来自 CPU 外部外设）
作用：处理异步事件、随机事件、非顺序逻辑场景
查看系统中断信息命令：cat /proc/interrupts

2. 中断相关函数接口

函数名	功能
request_irq	注册中断处理程序，绑定中断号与中断服务函数
free_irq	释放已经注册的中断资源
disable_irq	禁止指定中断
disable_irq_nosync	禁止中断，立即返回，不等待当前中断处理结束
enable_irq	使能指定中断
local_irq_save	禁用当前 CPU 所有中断，保存中断状态，适用于 SMP 多核 CPU
local_irq_disable	禁止当前 CPU 全部中断，适用于多核
local_irq_restore	恢复之前保存的中断状态，适用于多核
devm_request_irq	资源自动管理的中断注册函数，设备卸载自动释放中断

3. 开发操作步骤

① 设备树 DTS 适配

复制代码

puutkey {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    compatible = "puut-key";
    status = "okay";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_key>;
    key-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* KEY0 */
    interrupt-parent = <&gpio1>;
    interrupts = <18 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
};

interrupt-parent：指定中断父控制器。GPIO 引脚产生外部中断，先提交给 GPIO 控制器，GPIO 控制器再连接 GIC 通用中断控制器。
interrupts：描述引脚编号、触发方式
- IRQ_TYPE_EDGE_RISING：上升沿触发
- IRQ_TYPE_EDGE_FALLING：下降沿触发
- IRQ_TYPE_EDGE_BOTH：双边沿触发

gpio 控制器节点示例：

复制代码

gpio1: gpio@0209c000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio";
    reg = <0x0209c000 0x4000>;
    interrupts = <GIC_SPI 66 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 67 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
    interrupt-controller; /* GPIO可以作为其他外设的中断父控制器 */
    #interrupt-cells = <2>;
};

② 驱动开发步骤

通过of_irq_get、gpio_to_irq从设备树解析获取中断号，GPIO 切换至中断输入模式
调用request_irq申请中断，绑定中断处理函数
编写中断处理函数，注意返回值：

enum irqreturn {
IRQ_NONE, /* 不是本驱动处理的中断，转交其他驱动 /
IRQ_HANDLED, / 中断正常处理完成，内核不再传递 /
IRQ_WAKE_THREAD / 唤醒threaded irq线程处理 */
};
编写上层应用程序测试

中断驱动完整回顾步骤

设备树节点添加interrupt-parent、interrupts属性
添加 pinctrl 引脚配置
设备节点引用 pinctrl、gpio、中断配置，status 设为 okay
misc_register注册杂项设备
of 函数解析获取设备树节点
of 接口获取 gpio 编号
向内核申请 GPIO 资源
of_irq_get /gpio_to_irq 获取中断号
request_irq申请注册中断

二、Linux 中断子系统

中断处理讲究快进快出，内核将中断拆分为顶半部（Top Half） 、底半部（Bottom Half），平衡实时性与工作量。

顶半部（上半部）：硬件中断上下文，紧急硬件操作；不可休眠、不可被新中断打断，执行时间极短。仅做寄存器读写、唤醒底半部。
底半部（下半部）：处理耗时、非紧急任务，可以被新中断打断。分为软中断、tasklet、workqueue 工作队列三类。

机制	运行环境	能否休眠	调度时机	并行性	适用场景
顶半部	中断上下文	❌ 不能	立即执行	独占 CPU	紧急硬件操作
软中断 softirq	中断上下文	❌ 不能	顶半部返回前	多核可并行	网络、块设备、定时器，内核底层使用
tasklet	中断上下文	❌ 不能	顶半部返回前	同类型 tasklet 不能并行	驱动最常用，轻量底半部，按键、GPIO 中断
workqueue 工作队列	进程上下文	✅ 允许	内核线程调度	完全并行	耗时操作、需要休眠的任务

1. 软中断 softirq

内核底层机制，属于底半部，运行在中断上下文；资源有限，驱动开发几乎不用自定义软中断。

2.tasklet（驱动最常用，软中断封装）

特点：简单安全，不能休眠；同一个 tasklet 不会多核并行执行。
使用：DECLARE_TASKLET定义 tasklet；顶半部调用tasklet_schedule触发调度。
适用：按键处理、GPIO 中断、快速数据读取，不需要休眠的场景。

3.workqueue 工作队列

唯一允许休眠的底半部，运行在内核线程上下文，可以调用 msleep、mutex、kmalloc、copy_to_user。

使用：INIT_WORK初始化工作；schedule_work触发调度。
适用：延时、内存分配、I2C/SPI 读写等需要休眠的耗时操作。

上下文区分

硬件中断上下文（顶半部）：收到硬件中断立即执行，不可休眠

软中断 /tasklet 上下文：属于中断上下文，不可休眠

进程上下文（workqueue）：内核线程，可以休眠

三、内核同步互斥机制（并发与竞态）

并发访问共享资源会产生竞态，需要互斥保护，常用 5 种：原子操作、自旋锁、信号量、互斥体 (mutex)、完成量 completion

1. 原子操作

保证对整型变量修改排他执行，无锁，适用于简单变量计数。

函数	功能
atomic_set	设置原子变量值
atomic_read	读取原子变量
atomic_add/atomic_sub	原子变量增减
atomic_inc/atomic_dec	自增、自减
位操作 set_bit /clear_bit/test_and_set_bit	位原子操作

2. 自旋锁 spinlock

临界区持有锁期间 CPU 循环忙等，不进入休眠。中断上下文推荐 ，禁止在持有自旋锁时休眠。核心 API：spin_lock_init、spin_lock、spin_unlock、spin_lock_irqsave（关中断 + 获取锁）

3. 信号量 semaphore

可计数信号量，获取不到锁时进程休眠，适合资源数量大于 1 的场景。API：sema_init、down、up。

4. 互斥体 mutex

信号量特例，计数固定为 1，同一时间只能一个进程持有；只能进程上下文使用，不可用于中断上下文。API：mutex_init、mutex_lock、mutex_unlock。

5. 完成量 completion

专门用于一个线程等待另外一个线程完成事件 ，常用于中断通知任务。API：init_completion、wait_for_completion、complete。

各类锁对比简表

类型	等待方式	能否休眠	适用上下文
自旋锁 spinlock	忙等待	❌ 不可休眠	中断上下文、进程上下文
信号量 semaphore	睡眠等待	✅ 可休眠	进程上下文
互斥体 mutex	睡眠等待	✅ 可休眠	进程上下文，独占访问
完成量 completion	事件等待	✅ 可休眠	进程上下文，事件通知场景

总结

原子操作：简单变量保护，无锁开销。
自旋锁：短临界区，中断上下文使用，不可休眠。
信号量：资源计数，进程上下文，可休眠。
mutex 互斥体：独占资源，进程上下文，不可在中断使用。
完成量：专门用于任务等待事件完成，中断通知线程场景。