Linux 核心中斷機制深度分析：從 IDT 到裝置驅動 ISR

中斷是作業系統與硬體互動的核心機制。本文基於 Linux 2.4.0 核心（i386 架構），從 CPU 異常/中斷分類、IDT 結構、8259A PIC 級聯原理、中斷向量分配、中斷門/陷阱門/任務門區別，到核心中斷處理流程、request_irq() 註冊機制、上半部/下半部處理，進行系統性剖析。

一、中斷與異常分類

二、i386 中斷向量分配

• 0–31：異常與 NMI（固定）
• 32–47：可屏蔽中斷（IRQ 0–15，對應雙 8259A）
• 48–255：軟中斷（Linux 僅用 0x80 系統呼叫）

#define FIRST_EXTERNAL_VECTOR 0x20  // IRQ0 向量
#define SYSCALL_VECTOR 0x80         // 系統呼叫向量

三、IDT（中斷描述符表）

• 256 項，每項 8 bytes（64 bits）
• 四種描述符：任務門、中斷門、陷阱門、呼叫門
• Linux 僅使用中斷門（硬體中斷，自動關 IF）與陷阱門（系統呼叫，不關 IF）

四、8259A PIC 級聯原理

Master (IRQ0–7)          Slave (IRQ8–15)
   IRQ2  ──────────→  INT (級聯)

• Master IRQ2 接 Slave INT，共 15 可用 IRQ
• 核心初始化時重新映射向量（init_IRQ()）
• EOI (End of Interrupt) 需對 Master/Slave 分別發送

五、核心中斷處理流程

1. CPU 依向量查 IDT，跳轉至對應 IRQn_interrupt 入口（組合語言）
2. 保存暫存器、呼叫 do_IRQ()
3. do_IRQ()：
   • acknowledge PIC
   • 查找 irq_desc[irq].action 鏈表
   • 遍歷呼叫每個 handler()（驅動註冊的 ISR）
   • 處理共享中斷、屏蔽/解除屏蔽
4. 返回組合語言出口，恢復暫存器、iret

六、驅動註冊中斷

int request_irq(unsigned int irq,
                void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),
                unsigned long flags,
                const char *dev_name,
                void *dev_id);

• flags：SA_INTERRUPT（快速中斷，關中斷執行）、SA_SHIRQ（共享中斷）、SA_SAMPLE_RANDOM（熵池貢獻）
• dev_id：共享中斷時識別裝置實例，free_irq() 時必須相同

七、上半部/下半部機制

• 上半部：ISR 本體，中斷關閉期間執行，越快越好
• 下半部：tasklet/softirq/workqueue，中斷開啟時延遲執行，處理耗時工作
• 2.4 核心：task_queue、bh；2.6+：softirq/tasklet/workqueue

八、中斷親和性與 SMP

SMP 系統可透過 /proc/irq/N/smp_affinity 設定中斷由哪個 CPU 處理，提升快取命中率。