中断、异常与设备模型
本文性质声明：本机无 Linux 环境，全部内容未实测，为原理级框架。站内对照实测：os-what-kernel-does（陷入成本 82.4ns、系统调用的 24 字节）、os-scheduling（Windows 优先级实测）、os-io-stack（IO 栈路径）。所有机制以你内核版本的文档为准。
一、中断 vs 异常：同步与异步的分野
CPU 遇到”计划外的事”只有两种来源：
| 中断（interrupt） | 异常（exception） | |
|---|---|---|
| 来源 | 外部硬件（网卡收到包、定时器到点） | 指令执行本身（除零、缺页、非法指令） |
| 时序 | 异步——与当前指令无关，随时来 | 同步——执行到这条指令必发生 |
| 例子 | 键盘、磁盘完成、时钟 tick | 缺页中断、除零、断点、系统调用入口 |
系统调用走的是异常路径（syscall 指令故意触发一个”异常”进内核）——本站 os-what-kernel-does 实测过这条路径的成本：本机一次陷入 82.4 纳秒、指令本体 24 字节。
中断的核心矛盾：硬件事件随时到，而 CPU 同一时刻只能干一件事——中断处理函数（ISR）抢占了当前执行流。这决定了它必须快：ISR 里睡着，整个系统的响应就停了。
二、上半部 / 下半部：为什么必须拆
网卡收到包时，ISR 要做的事有两类：硬件必须立刻响应的（读状态寄存器清中断标志、把包从网卡 FIFO 拷进内存——不拷完新包会覆盖）和可以延后的（解析协议栈、递给 socket 缓冲区、叫醒等待的进程）。前者是上半部（top half），后者是下半部（bottom half）。
拆分的三条理由：
- 上半部跑在中断上下文：不能睡眠（睡眠意味着调度，而中断上下文没有可调度的进程背景——让它睡 = 内核bug）、不能拿可能被持有的锁（死锁风险）、要尽量短（同类中断被屏蔽的时间就是丢事件的窗口）。
- 中断被屏蔽的时长 = 系统延迟：一个 1ms 的 ISR 意味着定时器精度、其他设备的响应全部劣化 1ms。
- 下半部把工作带回进程上下文——能睡眠、能拿锁、能被调度。
Linux 的下半部演进：软中断（softirq）（编译期固定的几类：网络收包 NET_RX_SOFTIRQ、定时器 TIMER_SOFTIRQ、调度 SCHED_SOFTIRQ——同类型软中断在多个 CPU 上并发跑，性能优先，编写最难）→ tasklet（建立在软中断上，同一 tasklet 不并发——比软中断好写，已半废弃）→ 工作队列（workqueue）（带回进程上下文，能睡眠——驱动开发默认选它）。选择口诀：要快要并发用软中断（网络栈），要省事用 workqueue（普通驱动），tasklet 别在新代码用。
三、驱动分层与设备树
驱动不是一坨代码，是栈：
用户程序 → VFS/子系统（网络栈、块层）→ 核心驱动层 → 总线驱动（PCI/USB/platform）→ 硬件总线驱动层统一做”枚举设备、匹配驱动、提供 DMA/中断抽象”——具体驱动只实现”这个芯片怎么玩”。平台总线（platform bus） 是给没有自动枚举总线的设备（SoC 上的串口、I2C 外设）用的：设备信息从设备树（Device Tree）来。
**设备树（DTS）**是描述”这块板子上有什么硬件”的数据文件（不是代码）：soc { serial@10000000 { interrupts = <0 1 4>; clocks = <&uart0>; }; }。内核启动时解析它，实例化出 platform 设备。改硬件配置（换个中断号）改 DTS 不改内核——嵌入式开发”改设备树”比”改驱动”频率高得多（本站 emb-startup 会从启动流程讲它怎么被用）。
四、中断亲和、亲和与风暴
中断亲和（IRQ affinity）：cat /proc/irq/25/smp_affinity 决定该中断由哪个 CPU 处理。默认策略让内核自动分摊；高吞吐场景手动绑：网卡中断绑到固定几个核、应用线程避开这几个核——数据在哪 CPU 上被处理，缓存就热在哪（本站 os-scheduling 量过 Windows 侧优先级，dbg-data-layout 量过缓存友好的量级）。
中断风暴（interrupt storm）：中断来得比处理得快——现象是 CPU 全花在 ISR 里（top 看 %softirq/si 高）、系统假死。治理三板斧：
- 关中断聚合（NAPI）：网卡高频收包时关中断、改轮询，包处理完再开——用轮询换中断， Linux 网络栈的标准手段。
- 节流：驱动里发现中断频率异常（如每秒上万次相同中断）主动屏蔽并告警——坏硬件的自我保护。
- 找出源头：
watch -n1 cat /proc/interrupts看哪个中断计数在疯涨；%softirq高但/proc/interrupts平稳 = 软 intra-softirq 层的问题（如内核协议栈处理不过来）。
五、排障索引
| 症状 | 入口 |
|---|---|
| 系统周期性卡顿几十毫秒 | ISR 太长或下半部堆积；/proc/interrupts 看计数节奏 |
| 一个核 100% 其他空闲 | 软中断/硬中断亲和集中；ksoftirqd 核上的负载 |
| 网卡吞吐上不去 | NAPI/中断聚合没生效；队列深度；亲和绑核 |
| 唤醒的延迟不稳 | 中断亲和 + CPU 休眠状态（cpuidle 深度）；cyclictest 量抖动 |
| 驱动 probe 失败 | 设备树/ACPI 描述与硬件不符；dmesg 的 probe deferral |
六、未实测清单
- 本文所有内核机制——无 Linux 环境，未测。
- ISR/软中断的耗时——未测（Windows 侧对应物：DPC/IST，未涉及）。
- NAPI 轮询行为——未测。
- 设备树的解析细节——未测。
- 中断亲和的实际收益——未测（原理引用 dbg-data-layout 的缓存实测）。