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外观

02、Linux 中断 API 函数汇总 ​

一、中断号 ​

中断号是计算机用来区分不同硬件信号的唯一编号。当键盘输入、定时器到期或硬盘完成任务等事件发生时，硬件会通过中断号通知CPU，让CPU暂停当前工作，转去处理这些紧急事件。

在Linux系统中，中断号通常用整数（int类型）表示。这个整数能覆盖从简单设备到复杂系统的中断需求。比如早期计算机最多支持15个中断，而现代系统可支持256个甚至更多，用整数存储完全足够。

当硬件触发中断时，Linux内核会根据中断号找到对应的处理程序。系统预先将每个中断号与处理代码绑定，形成类似"电话簿"的中断表（IDT）。这样CPU就能快速定位到正确的处理流程，确保不同设备的中断不会混淆。

除了基础功能，中断号还包含额外信息。例如在多核电脑里，某些中断会被分配到特定CPU核心处理；虚拟机环境下，中断号需要转换才能让虚拟设备正常工作。这些设计让系统既能高效运行，又能适应复杂场景。

总之，中断号就像硬件事件的"身份编号"，是连接硬件信号与软件处理的关键纽带。Linux用整数类型管理中断号，既简单直接又能满足各种需求，保证系统稳定运行。

二、request_irq 函数 ​

在 Linux 内核中要想使用某个中断是需要申请的， request_irq 函数用于申请中断， request_irq函数可能会导致睡眠，因此不能在中断上下文或者其他禁止睡眠的代码段中使用 request_irq 函数。 request_irq 函数会激活(使能)中断，所以不需要我们手动去使能中断， request_irq 函数原型如下：

C++
int request_irq(unsigned int irq,
    irq_handler_t handler,
    unsigned long flags,
    const char *name,
    void *dev)

1.2.1. 参数解析 ​

irq（中断号） ​

irq 是用于标识特定中断的编号，它对应于硬件中断控制器中的某一条中断线。每个中断号都唯一地映射到某个硬件设备或事件上。通过指定 irq，系统能够准确定位并响应特定的硬件中断请求。

handler（中断处理函数） ​

当中断发生时，内核会调用由 handler 指定的中断处理函数。这个函数是驱动程序的核心逻辑所在，负责对中断事件进行快速响应和处理。设计良好的中断处理函数应尽可能简洁高效，以减少对系统性能的影响。

flags（中断标志） ​

flags 是一组控制中断行为的标志位，定义了中断的触发条件、共享模式以及其他特性。这些标志可以在内核头文件 include/linux/interrupt.h 中找到完整的定义。通过选择合适的标志，开发者可以精确控制中断的行为，从而满足不同场景的需求。

name（中断名称） ​

name 是为中断赋予的一个可读性较高的字符串标识符。设置后，该名称会出现在 /proc/interrupts 文件中，便于调试和监控。一个精心命名的中断描述不仅提升了代码的可维护性，还能帮助开发者快速定位问题。

dev（设备标识） ​

当 flags 设置为 IRQF_SHARED 时，多个设备可以共享同一条中断线。此时，dev 参数成为区分这些设备的关键标识。通常，dev 被设置为指向设备结构体的指针，并在中断处理函数中作为第二个参数传递，以便识别具体的设备来源。

1.2.2. 返回值 ​

request_irq 函数的返回值用于指示中断申请的结果：

  • 0 表示中断申请成功；
  • 负值 表示失败，其中 -EBUSY 特别指出目标中断已被其他设备占用。

1.2.3. 常用中断标志详解 ​

IRQF_SHARED：共享中断的优雅协作 ​

当多个设备需要共享同一中断线时，必须显式指定此标志。共享中断的设计体现了资源复用的理念，但同时也要求开发者确保每个设备都能通过 dev 参数被正确区分。这种机制在资源受限的嵌入式系统中尤为常见。

IRQF_ONESHOT：单次触发的专注守护 ​

此标志适用于仅需执行一次的中断场景。一旦中断处理完成，系统将自动禁用该中断，避免重复触发。这种模式适合那些仅需一次性响应的任务，如初始化操作或状态检查。

IRQF_TRIGGER_NONE：无触发的静默等待 ​

该标志表示不指定任何触发条件，通常用于特殊场景下的自定义中断配置。虽然不常见，但它为高级开发者提供了更大的灵活性。

IRQF_TRIGGER_RISING：上升沿触发的敏锐捕捉 ​

上升沿触发意味着中断会在信号从低电平跳变到高电平时被激活。这种触发方式常用于检测瞬间事件，例如按键按下或传感器启动。

IRQF_TRIGGER_FALLING：下降沿触发的精准捕获 ​

与上升沿相反，下降沿触发会在信号从高电平跳变到低电平时触发中断。这种方式同样适用于瞬态事件检测，如按键释放或设备关闭。

IRQF_TRIGGER_HIGH：高电平触发的持续响应 ​

高电平触发意味着只要信号保持在高电平状态，中断就会被持续激活。这种模式适合需要长时间监测的状态变化，例如某些传感器的持续输出。

IRQF_TRIGGER_LOW：低电平触发的沉稳应对 ​

与高电平触发相对，低电平触发会在信号保持低电平期间持续激活中断。它为低功耗设备或特殊信号处理提供了另一种选择。

三、free_irq 函数 ​

使用中断的时候需要通过 request_irq 函数申请，使用完成以后就要通过 free_irq 函数释放掉相应的中断。如果中断不是共享的，那么 free_irq 会删除中断处理函数并且禁止中断。 free_irq函数原型如下所示：

C++
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)

函数参数与返回值的含义阐释如下：

irq：   此参数代表需要释放的中断资源。在计算机系统中，中断是硬件与操作系统之间沟通的重要桥梁，而“释放中断”则意味着将该中断资源归还给系统，以便其能够被重新分配或进入闲置状态。

dev_id：   当中断被配置为共享模式（IRQF_SHARED）时，此参数扮演了至关重要的角色。它作为一种标识符，用于区分共享同一中断线的不同设备或处理函数。这种机制类似于在一场盛大的宴会上，每位宾客都持有独特的邀请函，以确保他们的身份得以明确。值得注意的是，只有在释放最后一个与该中断相关的处理函数时，中断才会被真正禁用，从而避免对其他共享设备造成干扰。

返回值：   该函数不返回任何值（即返回值为空）。这一设计体现了函数的纯粹性与专注性——它的使命仅在于完成中断的释放操作，而不附带额外的信息或状态反馈。

通过上述描述，我们可以感受到中断管理机制背后的精密逻辑与优雅设计，它不仅保障了系统的高效运行，也展现了工程师们在资源调度与冲突规避方面的智慧结晶。

四、中断处理函数（上半部驱动） ​

在使用 request_irq 函数申请中断时，需要为中断处理程序指定一个回调函数。该回调函数的原型如下所示：

C++
irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

其中，第一个参数是触发中断的中断号，用于标识具体的硬件中断源；第二个参数是一个通用指针（void *），通常与 request_irq 函数中的 dev_id 参数保持一致。这一设计不仅允许开发者通过 dev_id 区分共享同一中断线的不同设备，还能够灵活地将该指针指向设备的私有数据结构，从而为中断处理提供上下文支持。

中断处理函数的返回值类型为 irqreturn_t，它是一个枚举类型，定义如下：

C++
enum irqreturn {
    IRQ_NONE        = (0 << 0),  // 中断未被处理
    IRQ_HANDLED     = (1 << 0),  // 中断已成功处理
    IRQ_WAKE_THREAD = (1 << 1),  // 唤醒线程化中断处理
};

typedef enum irqreturn irqreturn_t;

从上述定义可以看出，irqreturn_t 提供了三种可能的返回值，每一种都蕴含着不同的语义：

  1. **IRQ_NONE**：表示当前中断并未被处理。这种情况通常发生在共享中断线的场景中，当某个设备的中断处理函数确认该中断并非由自身触发时，便会返回此值。
  2. **IRQ_HANDLED**：表示中断已被成功处理。这是大多数中断处理函数的标准返回值，表明中断源已被正确识别并处理完毕。
  3. **IRQ_WAKE_THREAD**：这是一种特殊的情况，用于指示内核唤醒线程化的中断处理程序。这种机制常用于需要复杂处理逻辑的场景，避免在硬中断上下文中执行耗时操作。

在实际编程中，中断处理函数的返回值通常采用以下形式：

C++
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);

这里的 IRQ_RETVAL 宏是对返回值的封装，旨在提升代码的可读性和一致性。通过这种方式，开发者可以清晰地表达中断处理的状态，同时确保代码风格符合内核开发的最佳实践。

总结而言，中断处理函数的设计体现了操作系统对硬件资源管理的精妙权衡：既要高效响应硬件事件，又要兼顾灵活性与可扩展性。而 irqreturn_t 枚举类型及其相关机制，则是这一设计理念的具体体现，宛如一位优雅的指挥家，在硬件与软件之间奏响和谐的交响乐章。

五、中断使能与禁止函数 ​

在嵌入式系统开发中，中断管理是一项至关重要的任务。合理地使能或禁止中断，不仅能够确保系统的实时性和稳定性，还能有效避免多任务环境下的资源竞争问题。以下将详细介绍几种常用的中断控制函数及其使用场景。

首先，我们来看两个基础的中断控制函数：

C++
void enable_irq(unsigned int irq);
void disable_irq(unsigned int irq);

这两个函数分别用于使能和禁止指定的中断源，其中 irq 参数表示要操作的具体中断号。需要注意的是，disable_irq 函数在执行时会等待当前正在处理的中断服务程序完成后再返回。因此，调用者必须确保在调用该函数后不会产生新的中断，并且所有已经开始执行的中断处理程序均已退出，以避免潜在的死锁或逻辑错误。

然而，在某些情况下，等待当前中断处理程序完成可能并不是最佳选择。为此，提供了一个更为“急切”的替代方案：

C++
void disable_irq_nosync(unsigned int irq);

与 disable_irq 不同，disable_irq_nosync 在调用后会立即返回，而无需等待当前中断处理程序的执行完成。这种设计为开发者提供了更大的灵活性，但也要求调用者自行评估风险，确保不会因中断状态的不一致而导致系统异常。

上述函数的操作对象是特定的中断源。但在某些场景下，我们需要对整个处理器的中断系统进行全局控制。这时，可以使用以下两个函数：

C++
local_irq_enable();
local_irq_disable();

local_irq_enable 用于重新开启当前处理器的全局中断，而 local_irq_disable 则用于关闭全局中断。然而，这种简单的开关操作可能会引发潜在的问题。例如，假设任务 A 调用了 local_irq_disable 来关闭全局中断并计划持续 10 秒。然而，2 秒后，任务 B 开始运行并同样调用了 local_irq_disable，随后又在 3 秒后通过 local_irq_enable 将全局中断重新打开。此时，全局中断实际上只被关闭了 5 秒，远低于任务 A 的预期。这种行为可能导致任务 A 的逻辑崩溃，甚至引发整个系统的不稳定。

为了避免这种问题，任务 B 在操作全局中断时需要更加“体贴”，不能简单粗暴地直接打开中断，而是应该恢复到之前的中断状态。为此，系统提供了以下两个更为优雅的函数：

C++
local_irq_save(flags);
local_irq_restore(flags);

这对函数的设计堪称精妙。local_irq_save 不仅会关闭全局中断，还会将当前的中断状态保存到 flags 中，以便后续恢复。而 local_irq_restore 则负责根据 flags 的值将中断状态还原到调用 local_irq_save 时的状态。这种机制确保了每个任务在操作全局中断时都能够“和平共处”，既不影响其他任务的正常运行，也维护了系统的整体稳定性。

总结而言，中断管理是一门艺术，既需要对底层硬件有深刻的理解，也需要在多任务环境下展现出高度的责任感和协作精神。通过合理使用上述函数，开发者可以在保证系统性能的同时，最大限度地减少潜在的风险和冲突。正如一位优秀的指挥家，能够在复杂的乐章中协调每一个音符，让整个交响乐团和谐共鸣。