14、中断子系统结构体抽象

在Linux系统中，设备通过IRQ（中断请求）向系统发送信号，告诉CPU有事情需要处理。当设备需要CPU帮忙时，就会通过IRQ线发送一个中断信号。

CPU接到信号后，会暂停当前工作，先把正在进行的任务状态保存起来，然后去处理设备请求。处理完设备的事情后，再恢复之前保存的任务状态，继续之前的工作。

因为设备太多，IRQ线的数量也很多，CPU直接管理所有中断会很麻烦。所以系统会用一个专门的设备（比如中断控制器）来帮CPU管理这些IRQ线，这样CPU就能更高效地处理任务了。

1. struct irq_chip：直接操作中断控制器的硬件，比如控制中断的开启、关闭或触发等底层功能。
2. struct irq_domain：负责把硬件设备产生的物理中断号，转换成Linux系统内部统一管理的中断号，就像给中断信号做翻译一样。
3. struct irq_desc：记录每个中断的详细信息，比如中断是否被屏蔽、处理函数是什么，相当于中断的"档案卡片"。

一、中断控制器：irq_chip

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中断控制器在内核中表示为struct irq_chip结构的实例，它描述实际硬件设备，以及IRQ内核使用的一些方法：

struct irq_chip {
   struct device *parent_device;
   const char  *name;
   void (*irq_enable)(struct irq_data *data);
   void (*irq_disable)(struct irq_data *data);

   void (*irq_ack)(struct irq_data *data);
   void (*irq_mask)(struct irq_data *data);
   void (*irq_unmask)(struct irq_data *data);
   void (*irq_eoi)(struct irq_data *data);

   int (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force);
   int (*irq_retrigger)(struct irq_data *data);
   int (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type);
   int (*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);

   void (*irq_bus_lock)(struct irq_data *data);
   void (*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data);

   int (*irq_get_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool *state);
   int(*irq_set_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool state);

   unsigned long flags;
};

基础信息

• parent_device：指向这个中断控制器所属上级设备的指针。
• name：在 /proc/interrupts 文件中显示的名称，用于标识这个中断控制器。

中断控制函数

• irq_enable：启用中断的功能。如果未指定（NULL），默认会调用 irq_unmask 来启用。
• irq_disable：禁用中断，阻止中断触发。
• irq_ack：在新中断刚发生时立即调用。部分控制器不需要此功能。它的作用是标记中断已开始处理，可能通过禁用中断来避免后续干扰，直到当前中断处理完成。
• irq_mask：屏蔽硬件中断源，使其无法再触发中断。
• irq_unmask：取消屏蔽，重新允许中断触发。

中断处理收尾

• irq_eoi：表示“中断结束”（End Of Interrupt）。在中断服务完成后立即调用，用于重置控制器状态，以便后续中断能正常触发。某些情况下，它会执行与 irq_ack 相反的操作（比如启用中断）。

高级功能

• irq_set_affinity：在多核（SMP）系统中设置中断处理的 CPU。例如，指定某个 CPU 处理该中断。单核系统不需要此功能。
• irq_retrigger：强制重新触发已屏蔽的中断，让 CPU 再次收到该中断信号。
• irq_set_type：设置中断的触发类型（如电平触发或边沿触发）。

电源管理与状态

• irq_set_wake：启用或禁用中断的“唤醒功能”，让硬件能在休眠时通过中断唤醒系统。

总线访问控制

• irq_bus_lock：锁定慢速总线（如 I2C）的访问权限，确保操作期间无其他干扰。
• irq_bus_sync_unlock：同步并解锁之前锁定的总线，恢复总线的正常访问。

状态管理

• irq_get_irqchip_state：获取中断控制器的内部状态。
• irq_set_irqchip_state：设置中断控制器的内部状态。

这些函数共同管理中断控制器的行为，从触发到处理再到收尾，确保硬件中断能被操作系统正确响应和控制。

二、中断控制器域：irq_domain

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在Linux系统中，中断控制器需要管理硬件中断号与系统内部编号之间的对应关系。这个功能通过一个叫做struct irq_domain的结构体来实现。它的核心作用是：

1. 基本功能：   将物理硬件的中断号（硬件IRQ）转换为系统内部统一管理的虚拟中断号（Linux IRQ），让操作系统能正确处理不同硬件的中断请求。
2. 结构组成：

struct irq_domain {
   // 区域名（比如"PCI中断域"）
   const char *name;

   // 操作函数集合（负责具体转换逻辑）
   const struct irq_domain_ops *ops;

   // 硬件相关私有数据（比如芯片型号信息）
   void *host_data;

   // 控制行为的标志位（比如是否启用某些特性）
   unsigned int flags;

   // 可选字段：
   // 固件节点（记录硬件设备在固件中的位置信息）
   struct fwnode_handle *fwnode;
   // 其他扩展字段...
};

3. 关键解释：

   • ops（操作集合）：包含中断映射、分配等具体操作的函数，比如"如何把硬件号转成系统号"。
   • host_data：保存该域对应的硬件设备特定信息（比如某个芯片的寄存器地址）。
   • fwnode：记录设备在固件（如UEFI/Device Tree）中的位置，方便系统定位硬件。

简单来说，这个结构就像一个翻译器：当硬件发出中断信号时，irq_domain根据硬件编号找到对应的系统内部编号，让操作系统知道"这个中断该由哪个驱动来处理"。

4. API解释：

中断控制器驱动程序需要通过特定函数创建和注册irq_domain（中断域），这个过程会根据硬件中断号（hwirq）和Linux系统中断号之间的映射方式选择不同的方法。以下是两种常用方法的说明：

①**irq_domain_add_linear()**（线性映射）

• 原理：使用一个固定大小的表格，表格的索引是硬件中断号（hwirq）。当映射硬件中断时，系统会为每个硬件中断分配一个Linux的中断描述符（irq_desc），并将对应的Linux中断号存入表格中。

• 适用场景：

  • 硬件中断数量较少且固定（比如256个以下）。
  • 优点：查找速度快（直接通过表格索引），且只给实际使用的中断分配资源。
  • 缺点：表格的大小需要和最大的hwirq号一样大，如果硬件中断号范围很大，会占用较多内存。

• 总结：这是大多数驱动程序的首选方法，适合中断数量少且明确的场景。

②**irq_domain_add_tree()**（树形映射）

• 原理：用树结构来管理硬件中断号（hwirq）和Linux中断号的映射关系。当映射硬件中断时，系统同样会分配中断描述符，但通过树的层级结构查找对应的Linux中断号。

• 适用场景：

  • 硬件中断号可能非常大（比如超过几千），不适合用线性表格。
  • 优点：不需要预先分配大表格，节省内存。
  • 缺点：查找速度取决于树中已存在的节点数量（节点越多，速度越慢）。

• 总结：适合硬件中断号范围极大或不确定的场景，但实际使用较少。

三、描述IRQ：irq_desc

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3.1、irq_desc

Linux系统通过struct irq_desc结构来管理每个中断（IRQ）。这个结构记录了中断的所有相关信息，比如处理函数、统计信息和硬件配置等。

关键字段解释

1. irq_common_data   存储与中断控制器硬件相关的通用数据，用于底层硬件操作。

2. kstat_irqs   记录每个CPU自系统启动以来收到的中断次数（统计信息）。

3. handle_irq   指向处理中断的主函数，负责执行中断的核心逻辑（比如调用设备驱动的处理函数）。

4. action   一个链表，存储所有注册到该中断的处理函数（irqaction结构）。   例如：多个设备共享同一个中断时，每个设备的处理函数都会被添加到这个链表中。

5. irqs_unhandled   统计未被正确处理的中断次数（调试用）。

6. lock   一个多处理器系统的锁，确保中断处理在多核CPU下安全执行。

7. threads_active   记录当前有多少线程正在处理该中断（用于线程化中断）。

8. wait_for_threads   等待队列，用于同步等待中断处理线程完成。

9. nr_actions   统计该中断下注册的处理函数数量。

10. no_suspend_depth 和 force_resume_depth   跟踪中断是否设置了特殊标志（如“禁止休眠”或“强制唤醒”）。

11. dir   指向/proc/irq/目录下该中断的文件节点（用于调试或查看信息）。

12. name   中断的名称（如“eth0”），在/proc/interrupts文件中显示。

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3.2、中断操作结构（irqaction结构）

每个注册的中断处理函数对应一个struct irqaction结构，它记录了该中断的详细信息：

关键字段解释

1. handler   中断的直接处理函数（也称“硬中断处理程序”），负责快速处理中断的核心逻辑。
2. thread_fn   线程化处理函数（可选），用于耗时操作（如数据拷贝），避免阻塞中断上下文。
3. dev_id   设备的唯一标识（如设备对象的指针），用于区分共享中断的不同设备。
4. name   设备名称（如“USB控制器”），在日志或/proc/interrupts中显示。
5. next   链表指针，指向下一个共享该中断的irqaction结构。
6. flags   中断标志（如IRQF_SHARED表示共享中断），控制中断行为。

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3.3、中断芯片数据（irq_data结构）

struct irq_data用于与硬件中断控制器交互，包含以下关键信息：

1. irq   Linux系统分配的中断号（如16）。
2. hwirq   硬件设备的物理中断号（如芯片上的实际引脚编号）。
3. chip   中断控制器的驱动接口，包含操作硬件的函数（如启用/禁用中断）。
4. domain   负责将硬件中断号（hwirq）映射到Linux的中断号（irq）。
5. chip_data   硬件控制器的私有数据，用于存储特定配置。