【Note】《Linux 内核深度解析：基于 ARM64 架构的 Linux 4.x 内核》第四章：中断、异常与系统调用

《Linux 内核深度解析：基于 ARM64 架构的 Linux 4.x 内核》第四章：中断、异常与系统调用

中断与异常机制是连接硬件与内核逻辑的重要纽带，系统调用则是用户空间访问内核服务的主要入口。本章围绕 ARM64 架构上的这些机制，全面分析其实现原理、初始化流程与运行时行为。

一、ARM64 异常模型概览

1.1 异常级别（Exception Levels）

ARM64 架构定义了四个异常级别（EL）：

Linux 内核运行在 EL1，用户进程在 EL0，在某些系统中 KVM 使用 EL2。

二、异常类型与分类

ARM64 支持多种类型的异常，每种类型都对应一个特定的异常向量入口：

三、异常向量表实现

ARM64 下异常向量表通过寄存器 VBAR_EL1 设置，指向异常向量基地址。该表必须 2048 字节对齐，分为四组，每组对应一个异常级别进入当前级别的场景（例如 EL0 → EL1, EL1 → EL1）：

3.1 异常向量表布局

// arch/arm64/kernel/entry.S

ENTRY(vectors)
    // 0x000: EL1t: 同步异常
    b el1_sync
    // 0x080: EL1t: IRQ 异常
    b el1_irq
    ...
    // 0x200: EL0t: 同步异常（用户发起 syscall）
    b el0_sync
    ...
END(vectors)

• 每个向量入口都是一个固定大小的跳转指令，最终跳到具体处理函数。
• 早期启动阶段由 __cpu_setup() 设置 VBAR_EL1 = vectors。

四、中断架构初始化流程（IRQ Subsystem）

Linux 的中断处理体系在 kernel/irq/ 中实现，架构无关，ARM64 架构通过 irqchip 子系统进行集成。

4.1 GICv3 中断控制器支持

ARM64 SoC 多使用 GICv2/GICv3/ITS 作为中断控制器，主要组件：

• Distributor (GICD)：中断控制与分发中心，配置目标 CPU、触发方式
• Redistributor (GICR)：为每个 CPU 核提供中断上下文
• ITS：GICv3 扩展，支持 MSI（PCI 中断）

驱动代码位于 drivers/irqchip/irq-gic-v3.c：

• gic_of_init()：通过设备树初始化中断控制器
• gic_cpu_init()：为每个 CPU 配置 GICR 和启用中断
• __gic_v3_do_irq()：在中断发生后调用的汇编路径，跳入 C 处理

4.2 中断号与触发配置

• 内核抽象的中断号是逻辑编号（Linux IRQ Number），通过设备树 interrupts 属性绑定；
• 支持 level（电平触发）和 edge（边缘触发）；
• request_irq() 用于驱动层注册中断回调。

五、中断处理路径详解

5.1 IRQ 异常入口

// arch/arm64/kernel/entry.S
el1_irq:
    kernel_entry 1
    bl  asm_do_IRQ
    kernel_exit 1

5.2 中断分发流程

// arch/arm64/kernel/irq.c
asmlinkage void asm_do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
    irq_enter();                            // 开启抢占计数
    generic_handle_irq(read_irq_number()); // 调用中断控制器分发中断
    irq_exit();                             // 清理抢占标记
}

• 中断控制器根据 IRQ Number 定位具体 handler，并调用 __handle_irq_event_percpu() → 驱动层 irq_handler_t。
• 若启用软中断（tasklet/workqueue），部分中断在 softirq 阶段延迟执行。

六、系统调用机制（Syscall）

系统调用是用户态访问内核功能的桥梁。ARM64 使用 SVC（Supervisor Call）指令从 EL0 切换到 EL1。

6.1 系统调用入口

// arch/arm64/kernel/entry.S

el0_sync:
    kernel_entry 0
    mrs x8, esr_el1           // 获取异常原因
    cmp x8, #ESR_ELx_EC_SVC64
    b.eq el0_svc              // 若为 SVC，进入系统调用处理

• ESR_EL1[31:26] 是 Exception Class (EC)；

  • 0x15（0b010101）为 64 位 SVC 系统调用。

• 系统调用号通常放在 x8 寄存器，参数 x0 ~ x5。

6.2 syscall 调度表

// arch/arm64/kernel/sys.c
DEFINE_SYSCALL_TABLE(sys_call_table)

long syscall_trace_enter(struct pt_regs *regs)
{
    syscall_fn_t fn = sys_call_table[regs->syscallno];
    ...
    ret = fn(regs->regs[0], regs->regs[1], ..., regs->regs[5]);
}

系统调用表定义在 arch/arm64/kernel/sys.c，每个系统调用号映射到对应函数，最终统一调用。

6.3 示例：用户调用流程

用户程序：

write(1, "hello\n", 6);

Glibc 封装后调用：

mov x8, #__NR_write
svc #0

EL0 → EL1 跳转后，内核通过 syscall 表找到 sys_write() 并执行。

七、异常上下文保存与 pt_regs

ARM64 在异常入口处，使用 kernel_entry 0/1 宏保存现场：

.macro kernel_entry el, regsize = 64
    stp x29, x30, [sp, #-16]!       // 保存调用者帧地址
    ...
    mov x29, sp                     // 设置新的帧地址
    mrs x0, sp_el0
    ...
.endm

内核构建一个 struct pt_regs（定义在 arch/arm64/include/asm/ptrace.h）：

struct pt_regs {
    u64 regs[31];      // x0 ~ x30
    u64 sp;            // 堆栈指针
    u64 pc;            // 程序计数器
    u64 pstate;        // 状态寄存器
};

这些信息供后续内核分析系统调用来源、异常上下文、调试等使用。

八、信号处理与异常返回

当用户进程收到信号时，内核会构建信号帧并设置 pc 跳转到用户注册的 handler 地址。常见流程：

1. 捕获信号：软中断/中断上下文检查 do_signal()；
2. 构建信号栈帧，保存原上下文到用户栈；
3. 修改 pt_regs 中的 PC 为 handler 地址；
4. handler 执行后使用 sigreturn 恢复上下文。

总结

本章介绍的从硬件中断到系统调用的所有通道，是内核调度、IO、调试、异常恢复等机制的基础。下一章我们将进入调度系统与 CPU 运行时行为，探索 Linux 的多核调度策略与任务切换实现。

常用源码路径参考：

• arch/arm64/kernel/entry.S：异常入口
• arch/arm64/kernel/irq.c：IRQ 异常处理
• drivers/irqchip/irq-gic-v3.c：GIC 中断控制器驱动
• arch/arm64/include/asm/ptrace.h：pt_regs 定义
• kernel/irq/handle.c：中断分发器
• arch/arm64/kernel/sys.c：系统调用表与 handler