深度揭秘中断机制：硬中断与软中断的实现原理与代码实战

wangpeibao

2025-10-12

系统教程

中断的实现原理可以分为硬中断和软中断两类，以下是具体描述：

一、硬中断的实现原理

硬中断是由硬件设备触发的中断信号，它的处理机制如下：

1.1 触发机制

硬件设备发生事件（例如键盘按键、网卡收到数据包等）。设备通过中断控制器（如 PIC、APIC）向 CPU 发出中断信号。CPU 检测到中断信号后，停止当前正在执行的指令，将上下文保存到堆栈。

1.2 中断向量

每种中断类型都有对应的中断向量号，中断控制器会将中断号发送给 CPU。CPU 根据中断向量号找到对应的中断处理程序的入口地址（通常通过中断向量表，IVT，或 IDT）。

1.3 中断处理

CPU 禁用中断（或者切换到更高优先级中断级别）以保护中断处理过程。跳转到对应的中断处理程序（ISR，Interrupt Service Routine）。中断处理完成后，通过 iret 指令恢复之前的上下文，重新开启中断并返回。

二、软中断的实现原理

软中断是由软件触发的“模拟中断”，其机制通常依赖操作系统的中断管理机制，主要特点如下：

2.1 软中断触发

主动触发：软中断由软件通过特殊指令或操作触发。例如：

在 x86 架构中使用 int 指令触发软中断（如 int 0x80 是 Linux 的系统调用接口）。

ARM 中通过 svc 指令（Supervisor Call）实现系统调用。

由操作系统调度：操作系统可通过标记某些任务为软中断任务，稍后由内核线程处理。

2.2 软中断处理

软中断依赖于内核的中断上下文机制，通常包括以下步骤：

软中断向量：软中断也有向量号，对应不同的处理函数。优先级处理：

硬中断处理优先于软中断。

软中断处理通常延迟到硬中断处理完成后执行。

实现细节：在 Linux 中，软中断实现为一种轻量级的机制（例如 softirq 或 tasklet）。softirq 是静态定义的，而 tasklet 是 softirq 的更高层抽象，用于特定任务（例如网络数据包处理）。

2.3 系统调用的例子

在 Linux 系统中，系统调用通过软中断实现：

应用程序通过软中断指令（如 int 0x80 或 syscall 指令）将用户态切换到内核态。内核根据调用号找到对应的系统调用处理函数。处理完成后返回用户态。硬中断代码实现

硬中断的处理代码主要存在于内核中，与硬件直接交互。以下以 Linux 的硬中断注册和处理为例。

硬中断注册与处理

硬件中断在 Linux 中通过 request_irq 注册，以下是典型代码：

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#include <linux/interrupt.h> static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id) { // 中断处理逻辑 printk(KERN_INFO "Interrupt handled for IRQ %d\n", irq); return IRQ_HANDLED; // 表示中断已处理 } static int __init my_module_init(void) { int irq_number = 1; // 示例：键盘中断号 int ret; // 注册中断处理程序 ret = request_irq(irq_number, my_irq_handler, IRQF_SHARED, "my_irq_handler", (void *)my_irq_handler); if (ret) { printk(KERN_ERR "Failed to request IRQ %d\n", irq_number); return ret; } printk(KERN_INFO "IRQ %d registered successfully\n", irq_number); return 0; } static void __exit my_module_exit(void) { int irq_number = 1; // 示例：键盘中断号 // 释放中断 free_irq(irq_number, (void *)my_irq_handler); printk(KERN_INFO "IRQ %d released\n", irq_number); } module_init(my_module_init); module_exit(my_module_exit); MODULE_LICENSE("GPL");1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.

代码说明：request_irq 注册中断处理程序：

第一个参数：中断号。

第二个参数：中断处理函数（my_irq_handler）。第三个参数：标志位（如 IRQF_SHARED 表示共享中断）。第四个参数：中断的名字。第五个参数：共享中断时的标识。中断处理函数：在中断处理函数 my_irq_handler 中，处理硬件中断信号。IRQ_HANDLED 表示中断已被正确处理。释放中断：在模块卸载时，使用 free_irq 释放资源。软中断代码实现

软中断的实现可以通过 softirq 或更高层次的 tasklet 完成。以下以 softirq 为例。

软中断定义与触发

在 Linux 内核中，softirq 通常通过 open_softirq 定义，通过 raise_softirq 或硬件中断间接触发。

软中断注册与实现

复制

#include <linux/interrupt.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> // 定义软中断处理函数 static void my_softirq_handler(struct softirq_action *action) { printk(KERN_INFO "SoftIRQ executed\n"); } // 初始化模块，注册软中断 static int __init my_module_init(void) { open_softirq(1, my_softirq_handler); // 定义软中断类型 1 的处理函数 printk(KERN_INFO "SoftIRQ registered\n"); // 手动触发软中断 raise_softirq(1); return 0; } // 卸载模块 static void __exit my_module_exit(void) { printk(KERN_INFO "SoftIRQ module exited\n"); } module_init(my_module_init); module_exit(my_module_exit); MODULE_LICENSE("GPL");1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.

代码说明：open_softirq 注册软中断：第一个参数：软中断的类型编号。第二个参数：软中断处理函数。触发软中断：使用 raise_softirq 触发指定类型的软中断。内核会在适当时机（例如硬中断退出后或 ksoftirqd 线程调度时）处理软中断。处理软中断：内核调度系统会调用软中断处理函数（如 my_softirq_handler）。