硬中断 vs 软中断:计算机系统的“警报系统“！

当键盘按下、网络数据包到达或硬盘完成读写时，CPU如何立即响应？为什么系统负载高时操作会变"卡"？这一切都归功于中断机制——计算机世界的"警报系统"！

一、中断:计算机的"紧急呼叫按钮"

想象医院急诊室:

• 🚑 紧急患者（硬中断）:需要立即处理的重症病人
• 📋 待办事项（软中断）:医生需要完成的非紧急任务
• 👨‍⚕️ 医生（CPU）:在急诊和常规任务间切换

二、硬中断:来自硬件的"紧急呼叫"

1. 什么是硬中断？

• 硬件设备发出的信号:键盘、鼠标、网卡、硬盘等
• 最高优先级:需要CPU立即响应
• 特点:
  • ⚡ 实时性强
  • 🛑 打断CPU当前工作
  • 🔌 与具体硬件相关

2. 常见硬中断类型

3. 硬中断处理代码（Linux内核片段）

// 注册中断处理程序
request_irq(IRQ_KEYBOARD, keyboard_handler, IRQF_SHARED, "keyboard", NULL);

// 键盘中断处理函数
irqreturn_t keyboard_handler(int irq, void *dev_id) {
    unsigned char keycode = inb(0x60); // 读取键盘端口
    process_keystroke(keycode);       // 处理按键
    return IRQ_HANDLED;
}

三、软中断:内核的"待办事项列表"

1. 什么是软中断？

• 软件触发的中断:由内核自身发起
• 延迟处理机制:非实时，批量处理
• 特点:
  • 🐢 优先级低于硬中断
  • 📦 批量处理提高效率
  • � 处理耗时任务

2. Linux软中断类型（10种）

3. 软中断处理流程

四、硬中断 vs 软中断:终极对决

五、中断处理全流程解析

💡 关键点:硬中断处理应尽可能短，耗时任务交给软中断！

六、Linux中断处理代码全景

1. 硬中断处理框架

// arch/x86/kernel/entry_64.S
ENTRY(irq_entries_start)
    vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR
    .rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)
        pushq $~vector
        jmp common_interrupt
        vector=vector+1
    .endr
END(irq_entries_start)

common_interrupt:
    SAVE_ALL          // 保存寄存器
    call do_IRQ       // 调用C处理函数
    RESTORE_ALL       // 恢复寄存器
    iretq             // 中断返回

2. 软中断初始化

// kernel/softirq.c
void __init softirq_init(void)
{
    open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
    open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
    open_softirq(TIMER_SOFTIRQ, run_timer_softirq);
    open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
}

3. 触发软中断示例

// 触发网络接收软中断
void netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
    // ... 网络包处理逻辑
    raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); // 触发软中断
}

七、中断性能问题与优化

1. 常见性能问题

2. 优化技术:NAPI(New API)

优化效果对比:

3. 中断负载均衡

// 将中断绑定到特定CPU
echo 2 > /proc/irq/128/smp_affinity 

// 查看中断统计
cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1       
 IRQ-0:   100000        0     Timer
 IRQ-1:        50        0     Keyboard
 IRQ-9:    500000   300000     Ethernet

八、中断在编程中的应用

1. 用户态处理信号（软中断的"表亲"）

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

// 信号处理函数
void handler(int sig) {
    printf("收到信号 %d!\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, handler);  // 注册Ctrl+C处理
    while(1) {}  // 无限循环
    return 0;
}

运行后按Ctrl+C将输出:收到信号 2!

2. 内核模块处理中断

#include <linux/interrupt.h>

irqreturn_t my_handler(int irq, void *dev_id) {
    printk(KERN_INFO "处理中断 %d\n", irq);
    return IRQ_HANDLED;
}

// 模块初始化
int init_module() {
    request_irq(IRQ_MY_DEVICE, my_handler, IRQF_SHARED, "my_device", NULL);
    return 0;
}

九、现代系统中断演进

1. 硬件发展

2. 未来方向

• 自适应中断:AI预测中断负载
• 零中断:轮询模式优化（如DPDK）
• 用户态中断:绕过内核直接处理
• 量子中断:量子计算环境新范式

十、总结:中断系统的核心价值

💡 黄金法则:硬中断做最少必要工作，耗时任务交给软中断！

思考题:为什么现代网卡驱动使用NAPI模式？与传统中断相比有何优势？（在评论区分享你的见解！）

🚀 动手实验:使用以下命令观察你系统的中断情况:

watch -n 1 "cat /proc/interrupts | head -20"