【操作系统百科】中断架构

网卡收到包、磁盘完成 I/O、键盘按键——都通过中断通知 CPU。中断是 OS 与硬件对话的核心通道。

一、先看图

flowchart TD
    DEV[硬件设备] -->|MSI-X| APIC[Local APIC<br/>per-CPU]
    DEV -->|legacy INTx| IOAPIC[I/O APIC]
    IOAPIC --> APIC
    APIC --> IDT[IDT<br/>中断描述符表]
    IDT --> HANDLER[irq_desc → handler<br/>handle_irq]
    HANDLER --> HARDIRQ[hardirq 处理<br/>最小化工作]
    HARDIRQ --> SOFTIRQ[softirq / threaded<br/>延迟处理]

    classDef hw fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef sw fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class DEV,APIC,IOAPIC hw
    class IDT,HANDLER,HARDIRQ,SOFTIRQ sw

二、x86 中断路径

2.1 IDT（Interrupt Descriptor Table）

256 个条目：

• 0-31：CPU 异常（page fault、divide error…）
• 32-255：外部中断 + IPI + 软件中断

2.2 Local APIC

每 CPU 一个 Local APIC：

• 接收中断
• 发送 IPI（Inter-Processor Interrupt）
• 管理优先级

2.3 I/O APIC

外部设备的 legacy 中断 → I/O APIC → 路由到目标 CPU 的 Local APIC。

三、MSI/MSI-X

现代设备（NVMe、网卡）使用 MSI/MSI-X：

• MSI：设备向 CPU 写一个内存地址（MMIO）→ 触发中断
• MSI-X：每 queue 独立 MSI → 多队列 I/O → 每 CPU 独立中断

优势：

• 不需要 I/O APIC 路由
• 不共享中断线
• 低延迟

四、irq_desc

struct irq_desc {
    struct irq_data irq_data;
    irq_flow_handler_t handle_irq;  // 控制器级 handler
    struct irqaction *action;        // 设备驱动 handler 链
    const char *name;
    // ...
};

每个 IRQ 号对应一个 irq_desc → 串联设备驱动注册的 handler。

五、中断处理流程

1. 硬件触发 → APIC → CPU 跳转到 IDT entry
2. 保存寄存器 → 调用 do_IRQ() / handle_domain_irq()
3. 查找 irq_desc → 调用 handle_irq()（如 handle_fasteoi_irq）
4. 遍历 action 链 → 调用每个设备 handler
5. handler 返回 IRQ_HANDLED / IRQ_WAKE_THREAD
6. ACK 中断 → 恢复

六、IRQ affinity

# 查看 IRQ 分布
cat /proc/interrupts

# 设置 IRQ 23 只在 CPU 0-3 上处理
echo 0f > /proc/irq/23/smp_affinity

# irqbalance 自动平衡
systemctl status irqbalance

NVMe 多队列：每个 queue 绑定到不同 CPU → 避免跨核中断。

七、IPI

CPU 间通信用 IPI：

• TLB shootdown
• 调度通知（resched_curr）
• 函数调用（smp_call_function）

IPI 是最高优先级中断。

八、中断风暴

设备持续产生中断 → CPU 100% 在 hardirq 中 → 应用无法运行。

缓解：

• NAPI（网络）：高频时切换到 polling
• coalesce：NVMe/网卡延迟合并中断
• threaded IRQ：避免长时间占用 hardirq 上下文

九、ARM 中断

ARM 用 GIC（Generic Interrupt Controller）：

• GIC-400 / GIC-500 / GIC-700
• SGI（Software Generated Interrupt）= IPI
• PPI（Private Peripheral Interrupt）= per-CPU
• SPI（Shared Peripheral Interrupt）= 共享

设备树描述中断拓扑。

十、小结

• 中断路径：设备 → APIC/GIC → IDT/异常表 → irq_desc → handler
• MSI-X 实现多队列独立中断
• IRQ affinity 绑定避免跨核开销
• 中断风暴需要 NAPI/coalesce/threaded IRQ 缓解

参考文献

• kernel/irq/
• arch/x86/kernel/irq.c
• Documentation/IRQ.txt
• Intel SDM, “APIC Architecture.”

工具

• /proc/interrupts
• /proc/irq/<n>/smp_affinity
• irqbalance
• perf stat -e irq:*
• bpftrace -e 'tracepoint:irq:irq_handler_entry { @[args->name] = count(); }'

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