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：
- User 模式（USR）：普通用户程序运行模式，无特权。
- FIQ 模式（FIQ）：快速中断模式，响应高优先级中断。
- IRQ 模式（IRQ）：普通中断模式，响应一般外设中断。
- Supervisor 模式（SVC）：系统调用模式，执行
svc指令时进入。 - Abort 模式（ABT）：访问非法内存地址时进入。
- Undefined 模式（UND）：执行未定义指令时进入。
- 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：
| 地址偏移 | 异常类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 0x00 | Reset | 上电复位 |
| 0x04 | Undefined Instruction | 未定义指令 |
| 0x08 | SWI (SVC) | 软件中断 |
| 0x0C | Prefetch Abort | 预取异常 |
| 0x10 | Data Abort | 数据访问异常 |
| 0x14 | 保留 | - |
| 0x18 | IRQ | 普通中断 |
| 0x1C | FIQ | 快速中断 |
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
| 特性 | STM32F407 (Cortex-M4) | RK3399 (Cortex-A72/A53) |
|---|---|---|
| 向量表 | 每个外设独立入口，硬件自动分发 | 统一入口，软件分发 |
| 中断控制器 | NVIC | GIC |
| 压栈机制 | 硬件自动保存寄存器 | 内核汇编保存现场 |
| 使用场景 | MCU 裸机/RTOS | SoC，运行 Linux/Android |
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
- 确定按键 GPIO 引脚号，并将其配置为外部中断模式。
- 将 GPIO 引脚号转换为中断号。
- 定义中断处理函数。
- 注册中断（申请中断），绑定中断号与 ISR。
- 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
- gpio_to_irq(KEY_GPIO)：将 GPIO 引脚号转换为内核的中断号。
- request_irq()：向内核注册一个中断，指定触发方式（上升沿、下降沿等）。
- key_irq_handler()：中断处理函数，响应按键事件。
- free_irq()：在驱动卸载时释放中断，避免资源泄漏。
六、总结
- ARM 处理器的 7 种模式、异常向量表是架构层面的规定。
- 中断向量表由芯片厂商扩展，用于分发多个外设中断。
- STM32 的 NVIC 是硬件直接跳转，RK3399 的 GIC 是统一入口再由软件分发。
- 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。
- 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)