kernel/irq 通用中断子系统机制与原理详解
源码路径：rk3588/kernel-6.1/kernel/irq/
内核版本：Linux 6.1（RK3588 平台）
平台：RK3588（4×Cortex-A76 + 4×Cortex-A55 big.LITTLE，ARM64）
该目录实现 Linux 内核 Generic IRQ（通用中断） 子系统的核心框架，统一管理从硬件中断信号到驱动 handler 的完整路径：IRQ 描述符、flow handler、irq_chip 抽象、irq_domain 映射、MSI、亲和性、线程化中断等。
架构分工：kernel/irq/ 提供 与架构无关 的中断管理逻辑；ARM64 入口汇编、set_handle_irq() 及 GIC 驱动位于 arch/arm64/ 与 drivers/irqchip/。
目录
一、源码目录结构
1.1 编译依赖（Makefile）
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| obj-y := irqdesc.o handle.o manage.o spurious.o resend.o chip.o dummychip.o devres.o
obj-$(CONFIG_IRQ_TIMINGS) += timings.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_IRQ_CHIP) += generic-chip.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_IRQ_PROBE) += autoprobe.o
obj-$(CONFIG_IRQ_DOMAIN) += irqdomain.o
obj-$(CONFIG_IRQ_SIM) += irq_sim.o
obj-$(CONFIG_PROC_FS) += proc.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ) += migration.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_IRQ_MIGRATION) += cpuhotplug.o
obj-$(CONFIG_PM_SLEEP) += pm.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_MSI_IRQ) += msi.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_IRQ_IPI) += ipi.o
obj-$(CONFIG_SMP) += affinity.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_IRQ_DEBUGFS) += debugfs.o
obj-$(CONFIG_GENERIC_IRQ_MATRIX_ALLOCATOR) += matrix.o
|
1.2 源文件
| 文件 |
行数 |
功能 |
irqdesc.c |
~996 |
IRQ 描述符分配/释放、sparse irq、sysfs |
manage.c |
~2934 |
request/free_irq、线程化中断、enable/disable、亲和性 |
irqdomain.c |
~2006 |
irq_domain 创建、hw→linux IRQ 映射、DeviceTree |
chip.c |
~1607 |
flow handler、mask/unmask、startup/shutdown |
handle.c |
~242 |
事件分发、线程唤醒、arch_irq 入口 |
msi.c |
~1042 |
MSI/MSI-X 描述符与 domain 管理 |
timings.c |
~958 |
中断时序统计（延迟分析） |
generic-chip.c |
~668 |
可配置 generic irq_chip 库 |
proc.c |
~538 |
/proc/interrupts 实现 |
spurious.c |
~478 |
虚假/丢失中断检测与恢复 |
matrix.c |
~513 |
IRQ 矩阵分配器（x2APIC 等） |
ipi.c |
~345 |
跨 CPU IPI 中断管理 |
pm.c |
~260 |
休眠/唤醒中断状态保存 |
irq_sim.c |
~250 |
模拟中断（测试用） |
cpuhotplug.c |
~233 |
CPU 热插拔时 IRQ 迁移 |
migration.c |
~119 |
pending affinity 迁移 |
resend.c |
~184 |
软件重发 pending 中断 |
affinity.c |
~128 |
多队列 IRQ 亲和性 mask 生成 |
autoprobe.c |
~184 |
IRQ 自动探测 |
devres.c |
~284 |
devres 托管 request_irq |
dummychip.c |
~64 |
空 irq_chip 占位 |
debugfs.c |
~261 |
debugfs 调试接口 |
internals.h |
~516 |
内部 API、状态位定义 |
settings.h |
~188 |
irq_settings 宏 |
二、整体架构
2.1 分层模型
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| 硬件中断线 内核 IRQ 框架 驱动
───────── ───────────── ────
Device ──→ IRQ Chip ──→ irq_domain ──→ irq_desc ──→ irqaction.handler
(GIC/GPIO) (mask/eoi) (hw→virq) (flow handler) (driver ISR)
|
2.2 关键层次
| 层次 |
组件 |
职责 |
| 架构入口 |
handle_arch_irq / generic_handle_arch_irq |
汇编 trap → C 入口，irq_enter/exit |
| Flow Handler |
handle_fasteoi_irq 等 |
中断流控制：mask/ack/unmask/eoi |
| Event Handler |
handle_irq_event |
调用 irqaction 链 |
| Driver Handler |
request_irq() 注册的函数 |
设备特定 ISR |
| IRQ Chip |
struct irq_chip |
硬件操作：mask/unmask/eoi/set_type |
| IRQ Domain |
struct irq_domain |
硬件 IRQ 号 → Linux virq 映射 |
2.3 RK3588 典型硬件栈
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| 外设 (UART/Ethernet/PCIe)
→ GICv3 SPI/PPI/SGI (drivers/irqchip/irq-gic-v3.c)
→ GIC ITS (MSI, irq-gic-v3-its.c) — PCIe MSIs
→ irq_domain (gic_irq_domain)
→ kernel/irq/ 通用框架
→ 驱动 request_irq() handler
|
三、核心数据结构
3.1 struct irq_desc — 中断描述符
每个 Linux IRQ 号对应一个 irq_desc：
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| struct irq_desc {
struct irq_common_data irq_common_data;
struct irq_data irq_data;
unsigned int __percpu *kstat_irqs;
irq_flow_handler_t handle_irq;
struct irqaction *action;
unsigned int depth;
raw_spinlock_t lock;
struct cpumask *affinity;
struct mutex request_mutex;
const char *name;
};
|
3.2 struct irq_data — chip 层数据
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| struct irq_data {
u32 mask;
unsigned int irq;
unsigned long hwirq;
struct irq_chip *chip;
struct irq_domain *domain;
void *chip_data;
};
|
3.3 struct irq_chip — 硬件中断控制器
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| struct irq_chip {
const char *name;
unsigned int irq_ack;
void (*irq_mask)(struct irq_data *);
void (*irq_unmask)(struct irq_data *);
void (*irq_eoi)(struct irq_data *);
int (*irq_set_type)(struct irq_data *, unsigned int);
int (*irq_set_affinity)(struct irq_data *, const struct cpumask *, bool);
int (*irq_startup)(struct irq_data *);
void (*irq_shutdown)(struct irq_data *);
unsigned long flags;
};
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3.4 struct irqaction — 驱动 handler
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| struct irqaction {
irq_handler_t handler;
irq_handler_t thread_fn;
struct irqaction *next;
irq_handler_t *secondary;
void *dev_id;
void *percpu_dev_id;
const char *name;
struct task_struct *thread;
unsigned int flags;
unsigned long thread_flags;
};
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3.5 struct irq_domain — 映射域
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| struct irq_domain {
struct list_head link;
const char *name;
const struct irq_domain_ops *ops;
irq_hw_number_t hwirq_max;
unsigned int revmap_size;
unsigned int *revmap;
struct irq_domain *parent;
};
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四、中断处理流程
4.1 总体路径
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| CPU 收到 IRQ 异常
→ arch/arm64: el1h_64_irq_handler (entry.S)
→ generic_handle_arch_irq(regs) [handle.c]
→ irq_enter()
→ handle_arch_irq(regs) [GIC driver]
→ gic_handle_irq()
→ generic_handle_domain_irq(domain, hwirq)
→ irq_find_mapping() → virq
→ generic_handle_irq_desc(desc)
→ desc->handle_irq(desc) [flow handler]
→ handle_irq_event(desc)
→ action->handler(irq, dev_id)
→ irq_exit()
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4.2 handle_irq_event（handle.c）
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| irqreturn_t handle_irq_event(struct irq_desc *desc)
{
desc->istate &= ~IRQS_PENDING;
irqd_set(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_INPROGRESS);
raw_spin_unlock(&desc->lock);
ret = handle_irq_event_percpu(desc);
raw_spin_lock(&desc->lock);
irqd_clear(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_INPROGRESS);
return ret;
}
|
4.3 handler 返回值
| 返回值 |
含义 |
IRQ_NONE |
未处理（可能是共享 IRQ 或非本设备） |
IRQ_HANDLED |
已处理 |
IRQ_WAKE_THREAD |
唤醒 thread_fn 线程继续处理 |
4.4 线程化中断唤醒
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| void __irq_wake_thread(struct irq_desc *desc, struct irqaction *action)
{
desc->threads_oneshot |= action->thread_mask;
atomic_inc(&desc->threads_active);
wake_up_process(action->thread);
}
|
五、Flow Handler 类型
Flow handler 定义中断 流控制语义（何时 mask/ack/unmask/eoi）：
| Handler |
适用场景 |
行为 |
handle_simple_irq |
无 chip 控制 |
直接 handle_irq_event |
handle_level_irq |
电平触发 |
mask → handler → unmask |
handle_edge_irq |
边沿触发 |
ack → handler → unmask（可能 pending） |
handle_fasteoi_irq |
GIC 等现代控制器 |
handler → chip->irq_eoi() |
handle_fasteoi_nmi |
NMI 线 |
NMI-safe 版 fasteoi |
handle_edge_eoi_irq |
Cell 等 |
边沿 + EOI |
handle_bad_irq |
未配置/错误 |
计数 + ack_bad_irq |
5.1 handle_fasteoi_irq（RK3588 GIC 最常用）
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| void handle_fasteoi_irq(struct irq_desc *desc)
{
raw_spin_lock(&desc->lock);
if (!desc->action || irqd_irq_disabled(&desc->irq_data)) {
desc->istate |= IRQS_PENDING;
mask_irq(desc);
goto out;
}
kstat_incr_irqs_this_cpu(desc);
if (desc->istate & IRQS_ONESHOT)
mask_irq(desc);
handle_irq_event(desc);
cond_unmask_eoi_irq(desc, chip);
out:
raw_spin_unlock(&desc->lock);
}
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5.2 handle_edge_irq
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| void handle_edge_irq(struct irq_desc *desc)
{
raw_spin_lock(&desc->lock);
desc->istate &= stale flags;
desc->istate |= IRQS_PENDING;
mask_ack_irq(desc);
if (desc->action && !irqd_irq_disabled())
handle_irq_event(desc);
cond_unmask_irq(desc);
raw_spin_unlock(&desc->lock);
}
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六、IRQ 注册与管理（manage.c）
6.1 request_threaded_irq
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| int request_threaded_irq(unsigned int irq,
irq_handler_t handler,
irq_handler_t thread_fn,
unsigned long flags,
const char *name, void *dev_id)
{
}
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6.2 __setup_irq 核心步骤
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| __setup_irq(irq, desc, new)
→ try_module_get(desc->owner)
→ 检查 trigger type、nested thread
→ irq_setup_forced_threading() // CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING
→ setup_irq_thread() // 创建 IRQ 内核线程
→ 链入 desc->action 链表（支持共享 IRQ）
→ irq_settings 配置 ONESHOT 等
→ irq_startup() / activate // 启动硬件中断
→ register_handler_proc() // /proc/irq/N/
→ wake_up_and_wait_for_irq_thread_ready()
|
6.3 IRQF 标志
| 标志 |
说明 |
IRQF_SHARED |
多驱动共享同一 IRQ |
IRQF_TRIGGER_RISING/FALLING/HIGH/LOW |
触发类型 |
IRQF_ONESHOT |
线程 handler 完成前保持 masked |
IRQF_NO_THREAD |
禁止强制线程化 |
IRQF_NO_SUSPEND |
休眠时不 disable |
IRQF_EARLY_RESUME |
早恢复 |
IRQF_COND_SUSPEND |
条件 suspend |
6.4 enable/disable
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| void disable_irq(unsigned int irq)
void enable_irq(unsigned int irq)
void synchronize_irq(unsigned int irq)
|
depth 支持嵌套 disable/enable，引用计数语义。
6.5 free_irq
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| const void *free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)
→ __free_irq(desc, dev_id)
→ 若无 action 剩余 → irq_shutdown()
→ kfree(action) + 停止 IRQ 线程
|
七、IRQ Domain 映射（irqdomain.c）
7.1 概念
IRQ Domain 解决硬件 IRQ 号与 Linux 虚拟 IRQ（virq）的映射：
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| hwirq (GIC INTID 32~1019) ←→ virq (Linux IRQ 动态分配)
↑ irq_domain
↑ irq_find_mapping(domain, hwirq)
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7.2 主要 API
| API |
功能 |
__irq_domain_add() |
创建 irq_domain |
irq_create_mapping() |
hwirq → 分配 virq 并关联 |
irq_find_mapping() |
hwirq → 查找已有 virq |
irq_domain_create_simple() |
简单线性映射 domain |
irq_domain_add_legacy() |
固定偏移 legacy 映射 |
irq_alloc_descs() |
批量分配 virq |
irq_domain_alloc_irqs() |
层级 domain 分配 |
7.3 DeviceTree 集成
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domain = irq_domain_add_simple(node, max_irq, irq_base, &chip, chip_data);
virq = irq_create_of_mapping(irq_spec);
request_irq(virq, handler, flags, name, dev);
|
7.4 层级 Domain
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| Root Domain (GIC)
└── PCI MSI Domain (ITS)
└── Device MSI
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CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY 支持多级 domain 嵌套。
八、IRQ Chip 操作（chip.c）
8.1 生命周期
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| irq_startup(desc) // 首次 enable
→ chip->irq_startup() 或 irq_enable()
→ unmask_irq()
irq_shutdown(desc) // 最后 disable
→ mask_irq()
→ chip->irq_shutdown()
irq_enable(desc) // depth 归零时
→ chip->irq_enable/unmask
irq_disable(desc) // depth 递增到 1 时
→ chip->irq_disable/mask
|
8.2 mask/unmask
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| void mask_irq(struct irq_desc *desc)
{
if (!irqd_irq_masked(&desc->irq_data)) {
desc->irq_data.chip->irq_mask(&desc->irq_data);
irqd_set(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_MASKED);
}
}
void unmask_irq(struct irq_desc *desc)
{
if (irqd_irq_masked(&desc->irq_data)) {
desc->irq_data.chip->irq_unmask(&desc->irq_data);
irqd_clear(&desc->irq_data, IRQD_IRQ_MASKED);
}
}
|
8.3 SPARSE IRQ 描述符管理（irqdesc.c）
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| #ifdef CONFIG_SPARSE_IRQ
struct irq_desc *irq_alloc_desc(irq, node, affinity, owner, ...)
#else
struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS];
#endif
|
ARM64/RK3588 启用 CONFIG_SPARSE_IRQ，IRQ 号动态分配，节省内存。
九、MSI 中断（msi.c）
9.1 概述
MSI（Message Signaled Interrupts） 让 PCIe 等设备通过写内存地址触发中断，替代传统 INTx 线。
9.2 核心结构
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| struct msi_desc {
struct device *dev;
unsigned int msi_index;
unsigned int nvec_used;
struct irq_affinity_desc *affinity;
};
struct msi_device_data {
struct xa_array __store;
struct mutex mutex;
struct irq_domain *domain;
};
|
9.3 RK3588 PCIe MSI 路径
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| PCIe Device
→ ITS (Interrupt Translation Service, GICv3)
→ irq-gic-v3-its.c
→ msi_domain (kernel/irq/msi.c)
→ virq 分配 + request_irq()
|
十、Generic IRQ Chip（generic-chip.c）
为 MMIO 中断控制器（GPIO 中断、SoC 内部 INTC）提供可配置 irq_chip 实现：
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| struct irq_chip_generic {
raw_spinlock_t lock;
void __iomem *reg_base;
struct irq_chip_type chip_types[];
u32 mask_cache;
u32 wake_enabled;
};
struct irq_chip_type {
struct irq_chip chip;
struct irq_chip_regs regs;
u32 type;
u32 handler;
u32 *mask_cache;
};
|
提供标准回调：irq_gc_mask_set_bit、irq_gc_unmask_enable_reg、irq_gc_eoi 等，减少驱动重复代码。
十一、亲和性与迁移
11.1 IRQ Affinity
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| int irq_set_affinity(unsigned int irq, const struct cpumask *cpumask)
→ irq_do_set_affinity(data, mask, force)
→ chip->irq_set_affinity()
→ 或 pending 到 pending_mask
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11.2 Pending Migration（migration.c）
中断上下文中无法安全修改 affinity 时，标记 IRQD_SETAFFINITY_PENDING：
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| void irq_move_masked_irq(struct irq_data *idata)
{
if (!irqd_is_setaffinity_pending(data))
return;
irqd_clr_move_pending(data);
chip->irq_set_affinity(data, desc->pending_mask, false);
}
|
在下次 interrupt 的 mask 阶段执行实际迁移。
11.3 CPU Hotplug（cpuhotplug.c）
CPU offline 前：
- 将 IRQ affinity 从 offline CPU 迁移到其他 CPU
- 清理 pending_mask
11.4 多队列 Affinity（affinity.c）
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| struct irq_affinity_desc *
irq_create_affinity_masks(unsigned int nvecs, struct irq_affinity *affd)
|
为 multiqueue 设备（网卡多队列等）生成 per-vector 亲和性 mask，在可用 CPU 间均匀分布。
十二、其他模块
12.1 虚假中断检测（spurious.c）
- 跟踪
irqs_unhandled 计数
- 超过阈值（100000/300s）自动 disable 该 IRQ
irqfixup 启动参数启用 poll 恢复机制- 防止中断风暴拖垮系统
12.2 IPI（ipi.c）
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| int irq_reserve_ipi(struct irq_domain *domain, const struct cpumask *dest)
int ipi_send_single(unsigned int virq, unsigned int cpu)
int ipi_send_mask(unsigned int virq, const struct cpumask *dest)
|
ARM64 使用 GIC SGI（Software Generated Interrupt）实现核间 IPI。
12.3 /proc/interrupts（proc.c）
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| CPU0 CPU4 CPU5
27: 0 0 0 GICv3 27 Level arch_timer
32: 123456 0 0 GICv3 32 Level rk_uart
IPI0: 567890 456789 345678 Rescheduling interrupts
IPI1: 12345 12340 12350 Function call interrupts
|
12.4 电源管理（pm.c）
- suspend：保存 IRQ 状态，disable 非 wake IRQ
- resume：restore 状态，resend pending
IRQF_NO_SUSPEND / IRQF_FORCE_RESUME 控制
12.5 devres（devres.c）
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| devm_request_irq(dev, irq, handler, flags, name, dev_id)
|
设备移除时自动 free_irq，防止资源泄漏。
12.6 IRQ Timings（timings.c）
记录中断到达时间间隔，用于 中断延迟分析 和 debug。
12.7 Matrix Allocator（matrix.c）
用于 x2APIC 等场景的 IRQ 向量矩阵分配，避免冲突。
十三、RK3588/ARM64 平台说明
13.1 Kconfig 支持
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| # arch/arm64/Kconfig（RK3588 启用项）
select GENERIC_IRQ_IPI # IPI 支持
select GENERIC_IRQ_PROBE
select GENERIC_IRQ_SHOW # /proc/interrupts
select GENERIC_IRQ_SHOW_LEVEL
select HARDIRQS_SW_RESEND
select IRQ_DOMAIN # irq_domain 框架
select IRQ_FORCED_THREADING # 可选强制线程化
select SPARSE_IRQ # 动态 IRQ 号
select GENERIC_IRQ_MIGRATION # CPU hotplug 迁移
|
13.2 GICv3 中断控制器
| 组件 |
文件 |
说明 |
| GICv3 Distributor/Redistributor |
drivers/irqchip/irq-gic-v3.c |
主中断控制器 |
| GICv3 ITS |
drivers/irqchip/irq-gic-v3-its.c |
PCIe MSI 翻译 |
| GIC 公共代码 |
drivers/irqchip/irq-gic-common.c |
共享逻辑 |
| GICv3 PM |
drivers/irqchip/irq-gic-pm.c |
休眠支持 |
RK3588 使用 ARM GICv3：
- SGI 0-15：软件生成中断（IPI）
- PPI 16-31：每核私有（arch_timer、性能监控）
- SPI 32+：共享外设中断（UART、EMMC、Ethernet 等）
13.3 中断入口
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|
asmlinkage void __exception_irq_entry handle_arch_irq(struct pt_regs *regs)
{
generic_handle_arch_irq(regs);
}
set_handle_irq(handle_arch_irq);
|
13.4 big.LITTLE 亲和性
- GICv3 affinity routing 可将 SPI 路由到特定 CPU 或 CPU 组
- RK3588 8 核：中断默认 spread 到所有 CPU，驱动可通过
irq_set_affinity_hint() 优化
- 高 IOPS 设备（NVMe、千兆网卡）通常绑定 A76 大核
13.5 强制线程化
CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING + 启动参数 threadirqs：
- 所有非 per-CPU、非 ONESHOT 的 hard handler 自动线程化
- 减少 hardirq 关中断时间，改善 RT 延迟
- 调试用途，生产环境一般不用
十四、完整中断处理时序
以 RK3588 UART 接收中断 为例：
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| [硬件]
UART RX FIFO 达到阈值 → 触发 SPI 中断线 → GICv3
[ARM64 入口]
el1h_64_irq_handler (entry.S)
→ 保存 pt_regs
→ generic_handle_arch_irq(regs)
→ irq_enter() // RCU/lockdep/tracing
[ GIC 驱动 ]
gic_handle_irq()
→ 读取 IAR 寄存器 → hwirq = 125
→ generic_handle_domain_irq(gic_domain, 125)
→ virq = irq_find_mapping(domain, 125) // 如 virq=32
[ Flow Handler ]
generic_handle_irq_desc(desc)
→ handle_fasteoi_irq(desc) // GIC 使用 fasteoi
→ kstat_incr_irqs_this_cpu()
→ handle_irq_event(desc)
→ desc->lock 释放
→ serial8250_interrupt(32, dev_id)
→ 读取 FIFO → push 到 tty flip buffer
→ return IRQ_HANDLED
→ desc->lock 重新获取
→ gic_eoi_irq() // 写 EOIR 寄存器
→ irq_exit() // 可能触发 preempt/schedule
[ 用户态 ]
tty flip buffer → line discipline → 用户 read() 返回数据
|
十五、总结
kernel/irq 是 Linux 中断管理的核心框架：
- irq_desc — 每个 IRQ 的中央描述符，关联 chip、handler、affinity
- Flow Handler — 抽象 edge/level/fasteoi 等中断流控制语义
- irq_chip — 硬件控制器操作抽象（mask/unmask/eoi/set_affinity）
- irq_domain — hwirq ↔ virq 映射，支持 DeviceTree 和层级 domain
- request_irq — 驱动注册 handler，支持共享、线程化、ONESHOT
- MSI — PCIe 消息中断管理，与 GIC ITS 配合
- Affinity/Migration — SMP 中断路由、CPU hotplug 迁移
- Spurious 检测 — 自动 disable 异常中断源
RK3588 通过 GICv3 + Generic IRQ 框架管理全部硬件中断，是 UART、网络、存储、PCIe 等驱动 request_irq() 的底层支撑。
附录：源文件清单
| 文件 |
行数 |
分类 |
manage.c |
~2934 |
IRQ 注册/enable/affinity |
irqdomain.c |
~2006 |
IRQ Domain 映射 |
chip.c |
~1607 |
Flow handler / chip 操作 |
irqdesc.c |
~996 |
描述符管理 |
timings.c |
~958 |
中断时序 |
msi.c |
~1042 |
MSI 中断 |
generic-chip.c |
~668 |
Generic irq_chip |
proc.c |
~538 |
/proc/interrupts |
spurious.c |
~478 |
虚假中断 |
matrix.c |
~513 |
矩阵分配器 |
handle.c |
~242 |
事件分发 |
ipi.c |
~345 |
IPI |
| 其他 |
~1500 |
pm/migration/affinity/debug 等 |
RK3588 相关驱动/架构文件：
| 文件 |
功能 |
drivers/irqchip/irq-gic-v3.c |
GICv3 主驱动 |
drivers/irqchip/irq-gic-v3-its.c |
GIC ITS (MSI) |
arch/arm64/kernel/irq.c |
ARM64 IRQ 入口 |
arch/arm64/kernel/entry-common.c |
异常入口公共逻辑 |
include/linux/irqdesc.h |
irq_desc 定义 |
include/linux/irqdomain.h |
irq_domain API |
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