GPIO中断机制

GPIO中断机制是嵌入式系统中处理外部事件（如按键触发、传感器状态变化等）的核心机制，其核心思想是通过硬件触发中断信号，使CPU暂停当前任务转而处理紧急事件，处理完成后再返回原任务，相比轮询方式能显著提高系统响应效率。

以Linux内核为例，GPIO中断机制的核心原理和处理流程如下：

1. GPIO中断的硬件基础

• 中断线（IRQ Line）： 每个GPIO引脚可配置为中断源，通过硬件逻辑（如GPIO控制器）连接到CPU的中断控制器（如GIC），形成中断线。
• 触发方式： 可配置为电平触发（高/低电平持续有效）或边沿触发（上升沿/下降沿/双边沿瞬间触发），需根据硬件特性选择（如按键通常用边沿触发避免抖动）。
• 中断优先级： 硬件上通过中断控制器设置，高优先级中断可抢占低优先级中断。

2. Linux内核中的GPIO中断处理流程

（1）中断注册：绑定GPIO与处理函数

驱动中通过`request_irq()`或`devm_request_irq()`（带资源管理）注册中断，核心是将GPIO对应的中断号与处理函数绑定：

// 示例：注册GPIO中断
int irq = gpio_to_irq(gpio_num);  // 将GPIO号转换为中断号
ret = devm_request_irq(dev, irq, gpio_irq_handler, 
                      IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_ONESHOT,  // 上升沿触发，单次触发
                      "my_gpio_irq",  // 中断名称（用于/proc/interrupts）
                      data);  // 传给中断处理函数的私有数据

• `IRQF_ONESHOT`：确保中断处理期间禁止该中断，避免嵌套触发（适用于处理时间较长的场景）。

（2）中断触发：硬件到内核的通知

当GPIO引脚检测到符合条件的电平/边沿变化时：

1. GPIO控制器向中断控制器发送中断信号。
2. 中断控制器根据优先级通知CPU，CPU暂停当前任务，跳转到中断向量表对应的入口。
3. 内核通过中断号查找对应的处理函数（即注册时绑定的`gpio_irq_handler`）。

（3）中断处理：上半部与下半部

为平衡响应速度和处理效率，Linux将中断处理分为两部分：

• 上半部（Top Half）：
  必须在关中断（`local_irq_disable()`）状态下执行，处理最紧急的操作（如清除硬件中断标志、读取关键数据），耗时需极短（通常微秒级）。 

  static irqreturn_t gpio_irq_handler(int irq, void *dev_id) {
      struct my_dev *dev = dev_id;
      
      // 1. 清除硬件中断标志（必须做，否则会持续触发）
      gpio_clear_int_flag(dev->gpio);
      
      // 2. 读取当前GPIO状态（紧急操作）
      dev->state = gpio_get_value(dev->gpio);
      
      // 3. 调度下半部处理非紧急任务
      schedule_work(&dev->work);  // 或使用tasklet、softirq等
      
      return IRQ_HANDLED;  // 表示中断已处理
  }

• 下半部（Bottom Half）：
  在开中断状态下执行，处理耗时操作（如数据解析、通知应用层），可被其他中断抢占。常用实现方式：
  • `workqueue`：基于进程上下文，可睡眠（适合调用可能阻塞的函数，如`mutex_lock`、`kmalloc`）。
  • `tasklet`：基于软中断上下文，不可睡眠，执行效率高。

  // 下半部工作队列处理函数
  static void gpio_work_func(struct work_struct *work) {
      struct my_dev *dev = container_of(work, struct my_dev, work);
      
      // 处理非紧急任务（如上报数据到应用层）
      dev_info(dev->dev, "GPIO state changed: %d\n", dev->state);
      // ... 其他耗时操作
  }

3. 常见问题与调试技巧

（1）中断不触发

• 检查GPIO是否正确配置为中断模式（`gpio_direction_input()`）及触发方式。
• 用`cat /proc/interrupts`确认中断号是否存在，触发次数是否递增。
• 硬件层面：测量GPIO引脚电平变化，确认中断信号是否有效到达中断控制器。

（2）中断频繁触发（抖动）

• 硬件：添加RC滤波电路消除机械抖动（如按键）。
• 软件：在中断处理中添加延时去抖（需注意上半部不宜过长，可在上下部之间加定时器）。

（3）中断处理超时

• 避免在上半部执行耗时操作，将逻辑移至下半部。
• 若必须长时间处理，可考虑使用`threaded irq`（线程化中断），将处理逻辑放在内核线程中。

总结

GPIO中断机制的核心是“快速响应、延迟处理”：上半部保证中断的快速响应，下半部处理复杂逻辑，既满足实时性要求，又不阻塞其他任务。实际调试中，需结合硬件手册（确认中断控制器和GPIO控制器寄存器配置）、内核日志（`dmesg`查看中断注册和触发信息）以及工具（如`irqtop`监控中断频率）定位问题。