Linux 内核的中断机制是操作系统核心部分之一，它负责在硬件设备发出中断请求（IRQ）时快速响应、处理，并在需要时延迟部分工作。中断机制的设计考虑了效率、并发性、实时性等要求，以确保系统能够稳定地处理外部设备的请求。
1. 中断的基本原理
中断是一种硬件机制，允许设备向 CPU 发出请求，以通知有数据要处理或某个事件已经发生。与轮询不同，中断机制无需 CPU 持续检查设备状态，而是由设备主动通知 CPU，从而提高系统的效率。
1.1 中断的分类
- 硬中断 (Hard IRQ)：由外部设备产生的异步事件，需要立即处理。硬中断服务程序（ISR）必须快速执行，处理完后通常会安排后续工作。
- 软中断 (Soft IRQ)：软中断是内核的一个机制，用于将一些工作延迟到稍后进行，通常用于处理那些不需要在硬中断上下文中执行的任务。软中断由内核在合适的时机进行调度和执行。
2. 中断的处理过程
中断处理包括几个关键步骤：
2.1 中断发生
当外部设备触发中断时，中断控制器 (如 PIC、APIC、GIC) 捕获中断请求，并将其发送给 CPU。CPU 会停止当前正在执行的任务，保存处理器状态，并跳转到对应的中断向量表，找到中断处理程序（ISR）。
2.2 硬中断处理
硬中断处理程序运行在中断上下文中，不允许睡眠或调度，因此只能进行非常有限的工作。典型的硬中断处理程序执行以下任务：
- 读取硬件状态（如读取设备寄存器）。
- 清除中断源（如告诉设备中断已经被处理）。
- 缓存必要的数据（如将数据放入缓冲区）。
- 通知内核有延迟处理任务需要执行。
2.3 延迟处理机制
由于硬中断的上下文不允许进行复杂的操作，因此需要将一些复杂任务推迟到稍后处理。Linux 提供了多种延迟处理机制来解决这一问题：
- Softirq: 是一种轻量级的延迟中断处理机制，主要用于网络栈、定时器等高频事件。Softirq 在更灵活的上下文中执行，允许多处理器同时处理不同的 Softirq。
- Tasklets: 基于 Softirq 的机制，用于调度轻量级的任务。Tasklets 是非抢占的，通常在单个处理器上执行，适合小而简单的任务。
- Workqueues: 允许将复杂任务推迟到内核线程中执行，内核线程上下文可以执行阻塞操作，适合更复杂的任务。
2.4 中断结束
当硬中断处理程序和延迟处理程序执行完毕后，CPU 恢复之前保存的状态，继续执行被中断的任务。
3. 中断控制器
中断控制器（如 PIC、APIC、GIC）负责接收来自外设的中断信号并传递给处理器。不同的体系结构有不同的中断控制器。
- PIC (Programmable Interrupt Controller)：早期的中断控制器，通常应用于单处理器系统。
- APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller)：支持多处理器的中断控制器，能够处理更复杂的中断分发。
- GIC (Generic Interrupt Controller)：用于 ARM 架构的中断控制器，支持多核系统的中断管理。
内核通过抽象这些中断控制器，使得驱动程序无需关心底层硬件的差异，只需通过统一的接口与中断机制交互。
4. 中断处理程序的注册与解除
在 Linux 内核中，设备驱动可以通过 request_irq() 函数向内核注册中断处理程序。该函数将设备的中断号和中断处理函数关联起来。
4.1 中断注册 (request_irq)
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev);
irq：中断号，代表设备的中断请求线。handler：中断处理程序，处理中断发生时的逻辑。flags：指定中断的触发类型，如边沿触发或电平触发，是否共享中断等。name：中断处理程序的名称，方便调试。dev