像信号处理一样理解中断:STM32与RK3399中断机制对比及 Linux 驱动开发实战

ARM 处理器工作模式、异常向量表与中断机制解析 —— 结合 STM32 与 RK3399 中断对比及按键驱动实例

在嵌入式开发中，ARM 处理器的工作模式、异常向量表、中断向量表是理解中断系统的核心。不同的芯片如 STM32F407（Cortex-M4 内核）和 RK3399（Cortex-A72/A53 内核）在中断处理机制上既有共同点，又有明显区别。本文将系统讲解两者的关系，并通过 RK3399 的按键中断驱动实例来展示代码实现。

一、ARM 处理器的 7 种工作模式

ARM 架构下，CPU 运行时会根据不同的事件切换到不同的模式，共有 7 种：

1. User 模式（USR）：普通用户程序运行模式，无特权。
2. FIQ 模式（FIQ）：快速中断模式，响应高优先级中断。
3. IRQ 模式（IRQ）：普通中断模式，响应一般外设中断。
4. Supervisor 模式（SVC）：系统调用模式，执行 svc 指令时进入。
5. Abort 模式（ABT）：访问非法内存地址时进入。
6. Undefined 模式（UND）：执行未定义指令时进入。
7. System 模式（SYS）：与 User 模式类似，但具有特权，通常内核运行在此模式。

CPU 在不同模式下有独立的寄存器组和堆栈，从而实现快速上下文切换。

二、异常向量表

当 CPU 遇到异常或中断时，需要跳转到相应的入口函数。ARM 架构规定了异常向量表，通常放在固定地址（0x00000000 或 0xFFFF0000）。

ARMv7 的异常向量表示例：

三、中断向量表

ARM 架构的异常向量表里只有 IRQ/FIQ 两个入口，但一个芯片上可能有数百个外设中断源，因此需要中断控制器来管理。

• STM32（Cortex-M 内核）
  使用 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller），中断向量表直接存放在 Flash 中，每个中断源对应一个函数入口地址，CPU 进入中断时会直接跳转。

• RK3399（Cortex-A 内核）
  使用 GIC（Generic Interrupt Controller）。所有外设中断先统一进入 IRQ 入口，由 GIC 确定中断号，再由内核软件框架分发给具体的驱动 ISR。

四、STM32 与 RK3399 中断机制对比

五、RK3399 按键中断驱动实例

在 Linux 内核中，中断的处理方式非常类似信号处理：

• 信号：由内核传递到用户态，由用户定义的 handler 来响应。
• 中断：由硬件触发，进入内核，通过中断处理函数来完成响应。

下面通过一个按键中断驱动示例来讲解：

1. 编写步骤

1. 确定按键 GPIO 引脚号，并将其配置为外部中断模式。
2. 将 GPIO 引脚号转换为中断号。
3. 定义中断处理函数。
4. 注册中断（申请中断），绑定中断号与 ISR。
5. 在模块卸载时释放中断。

2. 关键 API 函数

• 申请中断：request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev)
• 释放中断：free_irq(unsigned int irq, void *dev)
• 定义中断处理函数：irqreturn_t handler(int irq, void *dev_id)
• GPIO 转中断号：gpio_to_irq(unsigned int gpio)

3. 示例代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/irqreturn.h>

#define KEY_GPIO    23   // 假设按键接在 GPIO23
static int key_irq;      // 保存对应的中断号

// 中断处理函数
static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    printk(KERN_INFO "Key interrupt triggered! irq=%d\n", irq);
    // 这里可以添加按键消抖、状态处理等逻辑
    return IRQ_HANDLED;
}

// 模块加载函数
static int __init key_irq_init(void)
{
    int ret;

    // 将 GPIO 引脚转换为中断号
    key_irq = gpio_to_irq(KEY_GPIO);
    if (key_irq < 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to map GPIO to IRQ\n");
        return key_irq;
    }

    // 申请中断
    // IRQF_TRIGGER_FALLING 表示下降沿触发
    ret = request_irq(key_irq, key_irq_handler, IRQF_TRIGGER_FALLING,
                      "key_irq_demo", NULL);
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "Failed to request IRQ\n");
        return ret;
    }

    printk(KERN_INFO "Key IRQ module loaded, GPIO=%d, IRQ=%d\n", KEY_GPIO, key_irq);
    return 0;
}

// 模块卸载函数
static void __exit key_irq_exit(void)
{
    free_irq(key_irq, NULL);  // 释放中断
    printk(KERN_INFO "Key IRQ module unloaded\n");
}

module_init(key_irq_init);
module_exit(key_irq_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("CSDN Example");
MODULE_DESCRIPTION("RK3399 Key Interrupt Demo");

4. 代码说明

1. gpio_to_irq(KEY_GPIO)：将 GPIO 引脚号转换为内核的中断号。
2. request_irq()：向内核注册一个中断，指定触发方式（上升沿、下降沿等）。
3. key_irq_handler()：中断处理函数，响应按键事件。
4. free_irq()：在驱动卸载时释放中断，避免资源泄漏。

六、总结

1. ARM 处理器的 7 种模式、异常向量表是架构层面的规定。
2. 中断向量表由芯片厂商扩展，用于分发多个外设中断。
3. STM32 的 NVIC 是硬件直接跳转，RK3399 的 GIC 是统一入口再由软件分发。
4. 在 Linux 下编写中断驱动的步骤包括：引脚到中断号映射、定义 ISR、申请中断、释放中断。
5. 中断处理与用户态信号处理有异曲同工之妙，都是事件触发 → 注册回调 → 执行回调逻辑。

(完)