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嵌入式学习笔记——ARM-中断与异常

news 来源：原创 2025/9/6 12:13:20

文章目录

- 中断与异常的区别
- 中断与 DMA 的区别
- 中断能否睡眠？下半部能否睡眠？
- - 1. 中断处理程序不能睡眠
  - 2. 下半部（SoftIRQ、Tasklet、Workqueue）
- 中断处理注意点
- - 1. 快进快出
  - 2. 避免阻塞
  - 3. 正确返回值
  - 4. 如何处理大量任务
  - 5. 避免竞态问题
  - 6. 中断线程化
  - 7. 清除中断标志
  - 总结
- 中断 vs. 轮询：效率比较
- - 应用场景
  - 总结
- 为什么FIQ（Fast Interrupt Request）比 **IRQ（Interrupt Request）** 快
- - 1. FIQ 具有更多的 Banked（专用）寄存器
  - - 为什么这会影响速度？
  - 2. FIQ 拥有更高的优先级
  - 3. FIQ 处理过程中屏蔽了其他中断
  - 4. FIQ 的入口地址使得它可以直接执行
  - - 为什么这会影响速度？
  - 总结
  - 应用场景

中断与异常的区别

中断（Interrupt） 和 异常（Exception） 都会打断 CPU 的正常执行，但它们的来源和处理方式有所不同：

比较项	中断（Interrupt）	异常（Exception）
产生来源	外部设备（如键盘、网络、磁盘）	内部软件或 CPU
是否同步	异步（由外部事件触发，不一定与当前指令执行相关）	同步（发生在指令执行过程中，与指令相关）
处理方式	由中断控制器（如 PIC 或 APIC）通知 CPU，然后调用中断处理程序	由 CPU 自动触发异常处理程序
触发时机	可能发生在指令执行的任何时刻	只有在执行指令时才会触发
典型示例	时钟中断、键盘中断、网络中断	除零错误、非法指令、缺页异常

例如：

当你按下键盘时，会触发键盘中断，CPU 需要暂停当前执行的程序，调用键盘驱动处理输入。
当一个程序执行 div 0 试图除以零时，CPU 会触发一个异常，让操作系统处理错误。

中断与 DMA 的区别

比较项	DMA	中断
主要作用	让外设直接与内存交换数据，而不经过 CPU	让 CPU 处理突发事件
是否需要 CPU 参与	不需要，数据传输完全由 DMA 控制	需要，CPU 需要暂停当前任务并执行中断处理
速度	高（直接操作内存）	可能较慢（需要 CPU 介入）
典型示例	磁盘控制器通过 DMA 把数据传输到内存	网络设备收到数据后通知 CPU

总结：

DMA 主要用于数据传输，例如：磁盘或网卡使用 DMA 直接把数据写入内存，不需要 CPU 逐字节读取。
中断主要用于通知 CPU 发生了某些事件，如网络设备接收到新数据时，会触发中断，让 CPU 读取数据包。

中断能否睡眠？下半部能否睡眠？

1. 中断处理程序不能睡眠

原因：中断发生时，CPU 处于 中断上下文，没有具体的进程。如果在中断处理中调用了导致阻塞的函数（如 schedule()），则：
- 进程调度系统不知道当前上下文对应哪个进程，无法正确恢复上下文。
- 可能会导致系统死锁或崩溃。

示例：

void irq_handler() {// 这会导致内核崩溃！schedule(); 
}

2. 下半部（SoftIRQ、Tasklet、Workqueue）

下半部类型	是否能睡眠	说明
SoftIRQ	否	仍然处于中断上下文，不允许睡眠
Tasklet	否	与 SoftIRQ 类似，仍不能睡眠
Workqueue	是	在内核线程中执行，可以睡眠

总结：

中断处理程序不能睡眠，否则会导致内核崩溃。
SoftIRQ 和 Tasklet 不能睡眠，因为它们仍然运行在中断上下文中。
Workqueue 可以睡眠，因为它们在一个独立的内核线程中运行。

中断处理注意点

在写中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routine）时，需要注意以下关键点：

1. 快进快出

快速完成关键任务：ISR应该只做必要的工作，比如读取硬件寄存器、清除中断标志、存储关键数据等。
将复杂任务移至下半部：可以使用 工作队列（workqueue） 或 tasklet 来处理较复杂的任务，而ISR只执行简单、时间敏感的操作。

2. 避免阻塞

中断期间CPU不会进行进程切换，因此ISR 不能执行 sleep、等待锁、I/O 操作 等可能导致阻塞的操作。
例如，在ISR中调用 mutex_lock() 是错误的，因为它可能导致死锁。
如果必须同步资源，可以使用 自旋锁（spinlock），但要小心避免死锁。

3. 正确返回值

在Linux中，ISR必须返回 IRQ_HANDLED 或 IRQ_NONE（位于 <linux/irqreturn.h>）。
返回 IRQ_HANDLED 表示该中断已被正确处理，而 IRQ_NONE 则表示该中断不属于当前设备，可能需要进一步排查。

4. 如何处理大量任务

使用中断下半部机制（Deferred Processing）：
- 软中断（SoftIRQ）：适用于高吞吐量需求，如网络数据包处理。
- Tasklet：适用于优先级较高但不需要高吞吐量的任务，如调度一些紧急的任务处理。
- 工作队列（workqueue）：适用于可以被内核线程调度的任务，适合耗时较长的任务处理。

示例代码（使用 Tasklet）：

#include <linux/interrupt.h>void my_tasklet_func(unsigned long data);
DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, 0);irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id) {// 仅做必要的中断处理printk(KERN_INFO "Interrupt occurred\n");// 调度 tasklet 进行后续处理tasklet_schedule(&my_tasklet);return IRQ_HANDLED;
}void my_tasklet_func(unsigned long data) {// 在下半部处理较复杂的任务printk(KERN_INFO "Tasklet executed\n");
}static int __init my_module_init(void) {int irq = 19; // 假设是 IRQ19request_irq(irq, my_irq_handler, IRQF_SHARED, "my_irq_device", NULL);return 0;
}static void __exit my_module_exit(void) {free_irq(19, NULL);tasklet_kill(&my_tasklet);
}module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

5. 避免竞态问题

使用自旋锁保护共享资源：

static spinlock_t my_lock;irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id) {unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&my_lock, flags);  // 关闭本地中断，并上锁// 访问共享资源spin_unlock_irqrestore(&my_lock, flags);  // 解锁，并恢复中断return IRQ_HANDLED;
}

6. 中断线程化

对于较复杂的任务，可以将中断处理线程化（使用 request_threaded_irq()）。

线程化的中断 允许进程调度，但会有一定的时延：

irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id) {return IRQ_WAKE_THREAD;  // 让内核调度中断线程执行后续操作
}irqreturn_t my_irq_thread_fn(int irq, void *dev_id) {// 处理较复杂的任务printk(KERN_INFO "Threaded IRQ handling\n");return IRQ_HANDLED;
}request_threaded_irq(irq, my_irq_handler, my_irq_thread_fn, IRQF_SHARED, "my_irq_device", NULL);

7. 清除中断标志

在某些设备中，如果不清除 中断标志位，中断可能会持续触发，导致系统卡死：

irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id) {iowrite32(0, INTERRUPT_STATUS_REGISTER);  // 清除中断标志return IRQ_HANDLED;
}

总结

上半部（ISR）做 最少的事情，如读取数据、清除中断标志，然后 尽快退出。
下半部 通过 tasklet、工作队列 或 软中断 处理复杂任务。
避免阻塞，不要在ISR中调用 sleep() 或等待资源。
保护共享资源，使用 自旋锁（在中断上下文）。
中断线程化 适用于较复杂的任务，但可能会有一定延迟。

中断 vs. 轮询：效率比较

方式	适用场景	优势	劣势
中断（Interrupt）	低频请求设备（如键盘、鼠标、串口、传感器）	- CPU 不需要主动查询，减少不必要的 CPU 开销 - 适合低频请求设备	- 需要中断上下文处理，可能引入额外的调度开销 - 可能会影响实时性（高优先级任务打断低优先级任务）
轮询（Polling）	高频率、高吞吐设备（如高速网卡、DMA 设备、实时音视频处理）	- 对于高频设备，可以减少中断开销，提高吞吐量 - 控制简单，不涉及中断处理	- 占用 CPU 资源，可能导致其他任务无法执行 - 低效，尤其是在设备空闲时，CPU 仍然需要不断查询

应用场景

设备请求频率低 → 中断
- 适用于 低速设备，如键盘、鼠标、传感器、串口等。
- CPU 只有在 设备有数据 时才会被打断，中断处理时间短。
- 避免 CPU 不断轮询浪费资源。
设备请求频率高 → 轮询
- 适用于 高速数据传输设备，如 网络设备、硬盘控制器、音视频处理 等。
- 轮询可以减少中断频繁触发的开销，提高数据吞吐能力。
- 例如，Linux 内核中的 NAPI（New API）网络处理模式就是 轮询 + 中断混合 方案。
折中方案：中断 + 轮询
- 许多高性能设备（如网卡、存储设备）使用 中断触发 + 轮询 结合的方式：
  - 初始阶段：中断触发 → 当有新数据时，触发中断通知 CPU。
  - 高负载阶段：轮询处理 → 在一段时间内，CPU 进入轮询模式，提高数据处理效率。
- 示例：Linux NAPI 模式（用于网络驱动）
  - 初始时 使用中断 监听网络数据包。
  - 如果数据包流量很大，则改为 轮询模式，避免频繁触发中断。
  - 数据处理完毕后，系统重新 切换回中断模式。

总结

低频设备（键盘、鼠标、传感器） → 中断
高吞吐设备（网卡、存储、视频流） → 轮询
高负载设备（混合场景） → 中断 + 轮询（NAPI、Hybrid Polling）

为什么FIQ（Fast Interrupt Request）比 IRQ（Interrupt Request）快

1. FIQ 具有更多的 Banked（专用）寄存器

FIQ 模式 在 ARM 体系结构 下有 更多的专用寄存器：
- FIQ 模式 拥有 R8-R14 的专用 Banked 寄存器，同时还有 SPSR（Saved Program Status Register）。
- IRQ 模式 只有 R13（SP）、R14（LR）、SPSR 是 Banked 寄存器，而 R8-R12 需要手动保存。

为什么这会影响速度？

在 IRQ 处理程序 中，由于 R8-R12 没有 Banked 版本，所以在进入中断时，必须 手动保存这些寄存器，然后在中断退出时 恢复这些寄存器，这会增加 入栈和出栈的开销。
FIQ 由于有专门的寄存器，在 模式切换时 CPU 自动保存/恢复，无需手动压栈/出栈，从而 减少了指令开销，提高了执行速度。

2. FIQ 拥有更高的优先级

在 ARM 处理器中，FIQ 优先级高于 IRQ：
- 如果 FIQ 和 IRQ 同时发生，CPU 会先响应 FIQ，然后再处理 IRQ。
- 如果正在处理 IRQ 时 FIQ 触发，那么 FIQ 会抢占 IRQ 立即执行，这保证了 FIQ 的 实时性 和 低延迟。

3. FIQ 处理过程中屏蔽了其他中断

当 CPU 进入 FIQ 模式 时：
- 所有 IRQ 中断被屏蔽（禁用）。
- 其他异常（如未定义指令异常、软件中断异常）也被屏蔽。
- 这意味着 FIQ 不会被其他中断或异常打断，能够在 更短的时间内完成处理。
反之，在 IRQ 模式 下：
- FIQ 仍然可以打断 IRQ，导致 IRQ 可能会被抢占，增加了中断处理的复杂度和上下文切换的时间。

4. FIQ 的入口地址使得它可以直接执行

ARM 处理器的中断向量表地址：
- IRQ 入口地址： 0x18
- FIQ 入口地址： 0x1C

为什么这会影响速度？

IRQ 入口 0x18 只能放一条指令，通常是 B（Branch）指令，即 必须跳转到中断处理程序：
```
0x18: B IRQ_Handler
```
- 由于 需要跳转，这 增加了一条额外的跳转指令，影响了中断的响应时间。
FIQ 入口 0x1C 之后没有其他中断向量表，可以 直接放入 FIQ 处理代码：
```
0x1C: STMFD SP!, {R0-R4}   ; 直接保存寄存器LDR R0, =DATA        ; 读取数据STR R0, [R1]         ; 处理数据LDMFD SP!, {R0-R4}   ; 恢复寄存器
```
- 这样 FIQ 处理程序可以直接在 0x1C 处执行，避免跳转，从而 进一步减少指令执行时间，提高中断响应速度。

总结

对比项	FIQ（Fast Interrupt）	IRQ（Interrupt Request）
专用寄存器	R8-R14 + SPSR（Banked 寄存器，不需要手动保存）	只有 R13（SP）、R14（LR）、SPSR（R8-R12 需要手动保存）
中断优先级	FIQ 最高优先级，可以打断 IRQ	IRQ 低于 FIQ，可能被 FIQ 抢占
中断屏蔽	进入 FIQ 后，所有 IRQ 被屏蔽，不受其他中断影响	进入 IRQ 后，FIQ 仍然可以抢占
入口地址	0x1C，可以直接执行，无需跳转	0x18 只能放一条指令，需要跳转
执行速度	更快，适用于高优先级、低延迟任务	较慢，适用于一般设备

应用场景

FIQ 适用于：
- 高实时性场景（如 DMA 传输完成中断）
- 数据流处理（如高速 音频/视频数据 处理）
- 低延迟任务（如紧急错误处理）
IRQ 适用于：
- 普通设备中断（如键盘、鼠标、串口）
- 网络中断（如果流量不大）

嵌入式学习笔记——ARM-中断与异常

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这次是在MacOS 10.15上使用MongoDB。先在豆包问支持MacOS 10.15的MongoDB最新版是什么，答案是MongoDB 5.0。抱着谨慎怀疑的态度去官方网站查询了一下，答案如下 MongoDB 7.x支持的最低版本MacOS是11MongoDB 6.x支持的最低版本MacOS是10.14 又找deepsee…...

编程日记 2025/9/1 11:01:11