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針對(duì)于嵌入式軟件雜亂的知識(shí)點(diǎn)總結(jié)起來，提供給讀者學(xué)習(xí)復(fù)習(xí)對(duì)下述內(nèi)容的強(qiáng)化。
目錄
1.硬中斷，軟中斷是什么？有什么區(qū)別？
2.中斷為什么要區(qū)分上半部和下半部？
3.中斷下半部一般如何實(shí)現(xiàn)？
4.linux中斷的響應(yīng)執(zhí)行流程？中斷的申請(qǐng)何時(shí)執(zhí)行（何時(shí)執(zhí)行中斷處理函數(shù)）？
1.硬中斷，軟中斷是什么？有什么區(qū)別？
硬中斷：由硬件設(shè)備觸發(fā)，響應(yīng)時(shí)間要求非?？?#xff0c;通常用于緊急事件的處理。
軟中斷：由軟件（操作系統(tǒng)）觸發(fā)，通常用于延遲執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，響應(yīng)時(shí)間不如硬中斷緊急。
硬中斷是由硬件設(shè)備觸發(fā)的中斷信號(hào)。硬件設(shè)備（如定時(shí)器、外設(shè)、I/O 設(shè)備等）在需要 CPU 處理時(shí)通過發(fā)送中斷信號(hào)來打斷 CPU 正常的指令執(zhí)行流程。
工作原理
- 當(dāng)外部硬件設(shè)備發(fā)生特定事件（如數(shù)據(jù)到達(dá)、硬件狀態(tài)變化等），硬件會(huì)向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求。
- CPU 在執(zhí)行完當(dāng)前指令后，會(huì)停止當(dāng)前任務(wù)，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序（ISR，Interrupt Service Routine）來處理中斷請(qǐng)求。
- 中斷服務(wù)程序（ISR）通常是高優(yōu)先級(jí)的，必須盡可能短小快速地執(zhí)行，避免占用過多的 CPU 時(shí)間。
- 一旦 ISR 執(zhí)行完成，CPU 會(huì)返回到被中斷的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。
特性
- 由外部硬件觸發(fā)，屬于硬件事件。
- 通常是實(shí)時(shí)的，必須迅速響應(yīng)硬件事件。
- 執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)無法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，因?yàn)?CPU 被打斷并立即處理中斷。
- 硬中斷一般是不可預(yù)期的，必須確保中斷處理的實(shí)時(shí)性。
常見的硬中斷例子
- 外部傳感器的數(shù)據(jù)變化
- 定時(shí)器中斷
- 外部按鈕或輸入信號(hào)的變化
- 網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）數(shù)據(jù)接收中斷
軟中斷是由軟件程序觸發(fā)的中斷，不依賴硬件設(shè)備，而是由操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序通過軟件指令觸發(fā)，用來執(zhí)行某些特定的操作。軟中斷機(jī)制用于延遲處理硬中斷后的某些任務(wù)，或者用于執(zhí)行一些高優(yōu)先級(jí)的操作。
工作原理
- 軟中斷通常是在硬中斷處理程序中通過內(nèi)核代碼觸發(fā)的。在硬中斷響應(yīng)完成后，操作系統(tǒng)會(huì)通過軟中斷將一些較為復(fù)雜的任務(wù)推遲到稍后的合適時(shí)機(jī)執(zhí)行。
- 軟中斷并不是立即執(zhí)行的，它依賴操作系統(tǒng)的調(diào)度，通常是以工作隊(duì)列、定時(shí)器或其他機(jī)制的形式延遲執(zhí)行。
- 軟中斷的處理通常發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，當(dāng)硬中斷處理程序完成后，軟中斷可能會(huì)被執(zhí)行。
- 軟中斷的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)通常低于硬中斷，但比普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)要高。
特性
- 由軟件觸發(fā)，通常是內(nèi)核或操作系統(tǒng)中的事件。
- 用于延遲處理一些任務(wù)，或者處理高優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)工作。
- 不需要硬件支持，完全由軟件控制。
- 軟中斷可以在硬中斷處理完成后執(zhí)行，但不能打斷硬中斷本身。
常見的軟中斷例子
- 網(wǎng)絡(luò)包的處理（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理）
- 軟中斷用于管理定時(shí)器事件
- 內(nèi)存管理相關(guān)的操作，如虛擬內(nèi)存分頁(yè)
- 調(diào)度任務(wù)（如 Linux 中的任務(wù)切換）
| 特性 | 硬中斷（Hardware Interrupt） | 軟中斷（Software Interrupt） |
|---|---|---|
| 觸發(fā)源 | 外部硬件設(shè)備（如傳感器、I/O設(shè)備、定時(shí)器等） | 由內(nèi)核或操作系統(tǒng)軟件觸發(fā) |
| 觸發(fā)方式 | 硬件通過中斷信號(hào)觸發(fā)中斷 | 通過軟件指令或內(nèi)核操作觸發(fā)軟中斷 |
| 優(yōu)先級(jí) | 高，實(shí)時(shí)性要求強(qiáng) | 低于硬中斷，但通常比普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)高 |
| 執(zhí)行時(shí)間 | 中斷處理程序通常需要快速執(zhí)行，避免占用過多時(shí)間 | 軟中斷可以執(zhí)行更復(fù)雜的操作，不需要立即響應(yīng)，通常是延遲處理 |
| 響應(yīng)時(shí)機(jī) | 即時(shí)響應(yīng)硬件事件，執(zhí)行的任務(wù)非常緊急 | 在硬中斷響應(yīng)后執(zhí)行，通常用于處理延遲的操作 |
| 控制方式 | 由硬件和 CPU 控制，通常不能被輕易禁止或改變 | 由操作系統(tǒng)控制，內(nèi)核可以控制軟中斷的觸發(fā)和執(zhí)行 |
| 中斷服務(wù)程序(ISR) | 由硬件中斷觸發(fā)的服務(wù)程序，通常必須盡可能短小和高效 | 由軟件中斷觸發(fā)的服務(wù)程序，可能更復(fù)雜，處理時(shí)間更長(zhǎng) |
| 上下文切換 | 在硬中斷處理期間，操作系統(tǒng)無法進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和上下文切換 | 軟中斷是在內(nèi)核模式下執(zhí)行，操作系統(tǒng)可進(jìn)行上下文切換 |
| 中斷嵌套 | 可以嵌套其他硬中斷，但會(huì)受到優(yōu)先級(jí)和硬件支持的限制 | 軟中斷通常無法直接嵌套硬中斷，但可以在軟中斷中調(diào)用其他軟中斷 |
在嵌入式 Linux 中，硬中斷和軟中斷常常是結(jié)合使用的。硬中斷通常用來快速響應(yīng)外部硬件事件，而軟中斷則用于推遲一些復(fù)雜的任務(wù)，以便在稍后的時(shí)間處理，避免阻塞實(shí)時(shí)的硬中斷處理。例如：
- 硬中斷：當(dāng)外部設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)接口卡）接收到數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)觸發(fā)硬中斷，CPU 跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序，快速處理中斷。
- 軟中斷：硬中斷處理完成后，操作系統(tǒng)可能會(huì)使用軟中斷來處理接收到的數(shù)據(jù)包（例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理），因?yàn)閿?shù)據(jù)包的處理較為復(fù)雜，不能立即進(jìn)行。
通過這種方式，系統(tǒng)能夠保證實(shí)時(shí)的硬件事件響應(yīng)，同時(shí)又能通過軟中斷來處理一些相對(duì)復(fù)雜但又重要的任務(wù)。
2.中斷為什么要區(qū)分上半部和下半部？
Linux中斷分為硬件中斷和內(nèi)部中斷(異常)，調(diào)用過程:外部中斷產(chǎn)生->發(fā)送中斷信號(hào)到中斷控制器->通知處理器產(chǎn)生中斷的中斷號(hào)，讓其進(jìn)一步處理。
對(duì)于中斷上半部和下半部的產(chǎn)生，為了中斷處理過程中被新的中斷打斷，將中斷處理一分為二，上半部登記新的中斷，快速處理簡(jiǎn)單的任務(wù)，剩余復(fù)雜耗時(shí)的處理留給下半部處理，下半部處理過程中可以被中斷，上半部處理時(shí)不可被中斷。
-
上半部（Top Half）：
- 上半部是中斷的立即響應(yīng)部分，通常在硬中斷發(fā)生時(shí)會(huì)被調(diào)用。
- 處理程序在這部分應(yīng)該盡量簡(jiǎn)短、高效，避免長(zhǎng)時(shí)間占用 CPU 和影響其他任務(wù)的執(zhí)行。
- 上半部的主要任務(wù)是捕捉并記錄中斷源，執(zhí)行一些必要的硬件操作，并盡快返回。它的目標(biāo)是讓中斷的響應(yīng)盡可能快，防止丟失重要的事件或數(shù)據(jù)。
-
下半部（Bottom Half）：
- 下半部是中斷的延遲處理部分，它通常在中斷處理完畢后，在合適的時(shí)機(jī)（例如操作系統(tǒng)調(diào)度時(shí)）被執(zhí)行。
- 這部分可以執(zhí)行較為復(fù)雜的操作，如數(shù)據(jù)的處理、任務(wù)的調(diào)度等。與上半部不同，它可以使用系統(tǒng)調(diào)用和進(jìn)程調(diào)度。
- 下半部的處理不需要立刻執(zhí)行，因此可以延遲執(zhí)行，以避免長(zhǎng)時(shí)間占用中斷上下文。
| 特性 | 上半部（Top Half） | 下半部（Bottom Half） |
|---|---|---|
| 觸發(fā)時(shí)機(jī) | 由硬中斷觸發(fā)，立即響應(yīng)硬件事件 | 在上半部處理完成后，由操作系統(tǒng)調(diào)度觸發(fā) |
| 執(zhí)行環(huán)境 | 在中斷上下文中執(zhí)行，不能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存分配等 | 在進(jìn)程上下文中執(zhí)行，允許進(jìn)行內(nèi)存分配、進(jìn)程調(diào)度等復(fù)雜操作 |
| 執(zhí)行任務(wù) | 簡(jiǎn)單且高效的硬件相關(guān)處理，如記錄中斷源、清除中斷標(biāo)志等 | 復(fù)雜的任務(wù)處理，如數(shù)據(jù)處理、協(xié)議棧處理等 |
| 優(yōu)先級(jí) | 高優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)性要求強(qiáng) | 低于上半部?jī)?yōu)先級(jí)，通常需要在稍后的調(diào)度周期中處理 |
| 時(shí)間限制 | 必須盡量快速執(zhí)行，以避免影響其他中斷的響應(yīng)和任務(wù)的執(zhí)行 | 可以較長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行，不需要立即響應(yīng) |
| 任務(wù)內(nèi)容 | 捕獲硬件事件，清除中斷標(biāo)志，快速更新硬件狀態(tài)，極少操作系統(tǒng)資源 | 數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、內(nèi)存分配、進(jìn)程調(diào)度、復(fù)雜算法等 |
| 中斷嵌套 | 不能嵌套處理其他硬中斷 | 可能會(huì)被其他軟中斷或工作隊(duì)列觸發(fā) |
| 中斷禁用 | 執(zhí)行期間通常會(huì)禁用其他中斷，防止中斷嵌套 | 不需要禁用其他中斷，允許并發(fā)執(zhí)行 |
| 處理方式 | 硬中斷處理程序（ISR），必須簡(jiǎn)短和高效 | 軟中斷或任務(wù)隊(duì)列，允許較長(zhǎng)時(shí)間的處理 |
| 處理方式的復(fù)雜度 | 較低，主要處理硬件相關(guān)的直接操作 | 較高，處理系統(tǒng)級(jí)的復(fù)雜任務(wù)，如內(nèi)存分配、調(diào)度等 |
| 例子 | 網(wǎng)絡(luò)中斷接收數(shù)據(jù)、定時(shí)器中斷、外設(shè)輸入信號(hào)處理等 | 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理、內(nèi)存管理、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清理等 |
3.中斷下半部一般如何實(shí)現(xiàn)？
在嵌入式 Linux 中，中斷的下半部通常用于延遲執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，例如數(shù)據(jù)處理、協(xié)議棧處理或其他不適合在硬中斷上下文中執(zhí)行的操作。為了有效地實(shí)現(xiàn)下半部的處理，Linux 內(nèi)核提供了幾種常用的機(jī)制：軟中斷（Soft IRQ）、任務(wù)隊(duì)列（Tasklets） 和 工作隊(duì)列（Work Queues）。這些機(jī)制可以讓延遲的任務(wù)在合適的時(shí)機(jī)得到執(zhí)行，從而不影響中斷的實(shí)時(shí)性。想·
1. 軟中斷（Soft IRQ）
軟中斷是 Linux 內(nèi)核中的一種機(jī)制，旨在推遲某些中斷相關(guān)的工作。它是在硬中斷處理之后，由內(nèi)核調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行的。
使用場(chǎng)景：適用于需要在較高優(yōu)先級(jí)下執(zhí)行，但又不需要占用過多時(shí)間的任務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理、定時(shí)任務(wù)的更新等。
實(shí)現(xiàn)方式：內(nèi)核中定義了一些常用的軟中斷類型，例如網(wǎng)絡(luò)處理（NET_RX）、定時(shí)器處理（TIMER）等。內(nèi)核根據(jù)軟中斷的類型自動(dòng)安排其執(zhí)行。
特點(diǎn)：
軟中斷在內(nèi)核上下文中執(zhí)行，但可以并發(fā)執(zhí)行。
由于軟中斷是由內(nèi)核調(diào)度的，因此它的執(zhí)行不需要立刻發(fā)生，而是可以推遲到合適的時(shí)機(jī)。
void my_softirq_handler(struct softirq_action *action)
{// 處理一些延遲任務(wù)
}void my_init_softirq(void)
{open_softirq(MY_SOFTIRQ, my_softirq_handler);
}
2. 任務(wù)隊(duì)列（Tasklets）
任務(wù)隊(duì)列是 Linux 中一種輕量級(jí)的軟中斷機(jī)制，用于處理比軟中斷更簡(jiǎn)單的延遲任務(wù)。它本質(zhì)上是一個(gè)與中斷相關(guān)聯(lián)的延遲執(zhí)行函數(shù)。
使用場(chǎng)景：適用于需要在中斷上下文中執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù)，但這些任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不能過長(zhǎng)，且不依賴于系統(tǒng)調(diào)度。
實(shí)現(xiàn)方式：任務(wù)隊(duì)列是由內(nèi)核提供的一個(gè)高效的機(jī)制，用于在軟中斷上下文中延遲執(zhí)行任務(wù)。
特點(diǎn)：
任務(wù)隊(duì)列函數(shù)執(zhí)行時(shí)，不會(huì)進(jìn)行進(jìn)程上下文的切換，且執(zhí)行時(shí)不會(huì)阻塞其他任務(wù)。
它是單線程的，一個(gè)任務(wù)隊(duì)列的任務(wù)執(zhí)行期間，不會(huì)被其他任務(wù)打斷。
任務(wù)隊(duì)列是按優(yōu)先級(jí)執(zhí)行的，可以通過 tasklet_schedule() 和 tasklet_hi_schedule() 來調(diào)度任務(wù)。
static void my_tasklet_func(unsigned long data)
{// 處理延遲任務(wù)
}DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, 0);void my_interrupt_handler(int irq, void *dev_id)
{// 在中斷中調(diào)度任務(wù)tasklet_schedule(&my_tasklet);
}
3. 工作隊(duì)列（Work Queues）
工作隊(duì)列是內(nèi)核提供的機(jī)制，它允許在進(jìn)程上下文中執(zhí)行任務(wù)。工作隊(duì)列比任務(wù)隊(duì)列更靈活，可以執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，比如內(nèi)存分配、文件系統(tǒng)操作或其他系統(tǒng)調(diào)用。
使用場(chǎng)景：適用于需要執(zhí)行較長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)，并且這些任務(wù)涉及到進(jìn)程上下文的操作，例如內(nèi)存分配、文件系統(tǒng)訪問等。
實(shí)現(xiàn)方式：工作隊(duì)列可以將任務(wù)延遲到調(diào)度程序的上下文中執(zhí)行，因此可以進(jìn)行較復(fù)雜的操作。工作隊(duì)列有兩種形式：普通工作隊(duì)列和高優(yōu)先級(jí)工作隊(duì)列，后者通常用于需要快速響應(yīng)的任務(wù)。
特點(diǎn)：
工作隊(duì)列允許執(zhí)行阻塞操作，因此適用于需要進(jìn)程上下文的任務(wù)。
可以在進(jìn)程上下文中執(zhí)行，可以執(zhí)行進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存分配等操作。
工作隊(duì)列的調(diào)度是由內(nèi)核調(diào)度器進(jìn)行管理，支持多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。
struct work_struct my_work;void my_work_function(struct work_struct *work)
{// 處理復(fù)雜任務(wù)
}INIT_WORK(&my_work, my_work_function);void my_interrupt_handler(int irq, void *dev_id)
{// 在中斷中調(diào)度工作隊(duì)列schedule_work(&my_work);
}
| 機(jī)制 | 描述 | 適用場(chǎng)景 | 特點(diǎn) |
|---|---|---|---|
| 軟中斷（Soft IRQ） | 在硬中斷之后由內(nèi)核調(diào)度執(zhí)行，適用于中斷后需要處理的簡(jiǎn)單任務(wù)。 | 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、定時(shí)任務(wù)等 | 實(shí)時(shí)性較高，但任務(wù)較為簡(jiǎn)單，不涉及進(jìn)程上下文。 |
| 任務(wù)隊(duì)列（Tasklet） | 延遲執(zhí)行的中斷任務(wù)，用于硬中斷后的延遲任務(wù)處理，具有優(yōu)先級(jí)。 | 需要在中斷上下文中執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù)，不能過長(zhǎng)。 | 輕量級(jí)、中斷上下文執(zhí)行、任務(wù)隊(duì)列具有較高優(yōu)先級(jí)。 |
| 工作隊(duì)列（Work Queue） | 延遲執(zhí)行的任務(wù)，在進(jìn)程上下文中執(zhí)行，可以進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和阻塞操作。 | 復(fù)雜任務(wù)、涉及內(nèi)存分配、文件系統(tǒng)操作等 | 支持阻塞操作、進(jìn)程上下文、適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)。 |
4.linux中斷的響應(yīng)執(zhí)行流程？中斷的申請(qǐng)何時(shí)執(zhí)行（何時(shí)執(zhí)行中斷處理函數(shù)）？
中斷的響應(yīng)流程:cpu接受中斷->保存中斷上下文跳轉(zhuǎn)到中斷處理歷程->執(zhí)行中斷上半部->執(zhí)行中斷下半部->恢復(fù)中斷上下文。
中斷的申請(qǐng)request irq的正確位置:應(yīng)該是在第一次打開、硬件被告知終端之前。