http://blog.csdn.net/maochengtao/article/details/30713459
本文寫的很形象，很容易理解费坊。
一贫贝、中斷是什么
中斷的漢語(yǔ)解釋是半中間發(fā)生阻隔热幔、停頓或故障而斷開。那么众雷，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中灸拍，我們?yōu)槭裁葱枰白韪簟⑼ｎD和斷開”呢砾省？
舉個(gè)日常生活中的例子鸡岗，比如說(shuō)我正在廚房用煤氣燒一壺水，這樣就只能守在廚房里编兄，苦苦等著水開——如果水溢出來(lái)澆滅了煤氣轩性，有可能就要發(fā)生一場(chǎng)災(zāi)難了。等啊等啊翻诉，外邊突然傳來(lái)了驚奇的叫聲“怎么不關(guān)水龍頭炮姨？”于是我慚愧的發(fā)現(xiàn)捌刮，剛才接水之后只顧著抱怨這份無(wú)聊的差事，居然忘了這事舒岸，于是慌慌張張的沖向水管绅作，三下兩下關(guān)了龍頭，聲音又傳到耳邊蛾派，“怎么干什么都是這么馬虎俄认？”。伸伸舌頭洪乍，這件小事就這么過(guò)去了眯杏，我落寞的眼神又落在了水壺上。
門外忽然又傳來(lái)了鏗鏘有力的歌聲壳澳，我最喜歡的古裝劇要開演了岂贩，真想奪門而出，然而巷波，聽著水壺發(fā)出“咕嘟咕嘟”的聲音萎津，我清楚：除非等到水開，否則沒(méi)有我享受人生的時(shí)候抹镊。
這個(gè)場(chǎng)景跟中斷有什么關(guān)系呢锉屈？
如果說(shuō)我專心致志等待水開是一個(gè)過(guò)程的話，那么叫聲垮耳、電視里傳出的音樂(lè)不都讓這個(gè)過(guò)程“半中間發(fā)生阻隔颈渊、停頓或故障而斷開”了嗎？這不就是活生生的“中斷”嗎终佛？
在這個(gè)場(chǎng)景中俊嗽，我是唯一具有處理能力的主體，不管是燒水查蓉、關(guān)水龍頭還是看電視乌询，同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上我只能干一件事情榜贴。但是豌研，在我專心致志干一件事情時(shí)，總有許多或緊迫或不緊迫的事情突然出現(xiàn)在面前唬党，都需要去關(guān)注鹃共，有些還需要我停下手頭的工作馬上去處理。只有在處理完之后驶拱，方能回頭完成先前的任務(wù)霜浴，“把一壺水徹底燒開！”
中斷機(jī)制不僅賦予了我處理意外情況的能力蓝纲，如果我能充分發(fā)揮這個(gè)機(jī)制的妙用阴孟，就可以“同時(shí)”完成多個(gè)任務(wù)了晌纫。回到燒水的例子永丝，實(shí)際上锹漱，無(wú)論我在不在廚房，煤氣灶總是會(huì)把水燒開的慕嚷，我要做的哥牍，只不過(guò)是及時(shí)關(guān)掉煤氣灶而已，為了這么一個(gè)一秒鐘就能完成的動(dòng)作喝检，卻讓我死死地守候在廚房里嗅辣，在10分鐘的時(shí)間里不停地看壺嘴是不是冒蒸氣，怎么說(shuō)都不劃算挠说。我決定安下心來(lái)看電視澡谭。當(dāng)然，在有生之年损俭，我都不希望讓廚房成為火海译暂，于是我上了鬧鐘，10分鐘以后它會(huì)發(fā)出“尖叫”撩炊，提醒我爐子上的水燒開了外永，那時(shí)我再去關(guān)煤氣也完全來(lái)得及。我用一個(gè)中斷信號(hào)——鬧鈴——換來(lái)了10分鐘的歡樂(lè)時(shí)光拧咳，心里不禁由衷地感嘆：中斷機(jī)制真是個(gè)好東西伯顶。
正是由于中斷機(jī)制，我才能有條不紊地“同時(shí)”完成多個(gè)任務(wù)骆膝，中斷機(jī)制實(shí)質(zhì)上幫助我提高了并發(fā)“處理”能力祭衩。它也能給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)同樣的好處：如果在鍵盤按下的時(shí)候會(huì)得到一個(gè)中斷信號(hào)，CPU就不必死守著等待鍵盤輸入了阅签；如果硬盤讀寫完成后發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)掐暮，CPU就可以騰出手來(lái)集中精力“服務(wù)大眾”了——無(wú)論是人類敲打鍵盤的指尖還是來(lái)回讀寫介質(zhì)的磁頭，跟CPU的處理速度相比政钟，都太慢了路克。沒(méi)有中斷機(jī)制，就像我們苦守廚房一樣养交，計(jì)算機(jī)談不上有什么并行處理能力精算。
跟人相似，CPU也一樣要面對(duì)紛繁蕪雜的局面——現(xiàn)實(shí)中的意外是無(wú)處不在的——有可能是用戶等得不耐煩碎连，猛敲鍵盤灰羽；有可能是運(yùn)算中碰到了0除數(shù)；還有可能網(wǎng)卡突然接收到了一個(gè)新的數(shù)據(jù)包。這些都需要CPU具體情況具體分析廉嚼，要么馬上處理玫镐，要么暫緩響應(yīng)，要么置之不理怠噪。無(wú)論如何應(yīng)對(duì)摘悴，都需要CPU暫停“手頭”的工作舰绘，拿出一種對(duì)策蹂喻，只有在響應(yīng)之后，方能回頭完成先前的使命捂寿，“把一壺水徹底燒開口四！”
先讓我們感受一下中斷機(jī)制對(duì)并發(fā)處理帶來(lái)的幫助。
讓我們用程序來(lái)探討一下燒水問(wèn)題秦陋，如果沒(méi)有“中斷”（注意蔓彩，我們這里只是模仿中斷的場(chǎng)景，實(shí)際上是用異步事件——消息——處理機(jī)制來(lái)展示中斷產(chǎn)生的效果驳概。畢竟赤嚼，在用戶空間沒(méi)有辦法與實(shí)際中斷產(chǎn)生直接聯(lián)系，不過(guò)操作系統(tǒng)為用戶空間提供的異步事件機(jī)制顺又，可以看作是模仿中斷的產(chǎn)物）更卒，設(shè)計(jì)如下：
void StayInKitchen()
{
bool WaterIsBoiled = false;
while ( WaterIsBoiled != true )
{
bool VaporGavenOff = false;
if (VaporGavenOff )
WaterIsBoiled = true;
else
WaterIsBoiled = false;
}
// 關(guān)煤氣爐
printf(“Close gas oven.\n”);
// 一切安定下來(lái)，終于可以看電視了稚照，10分鐘的寶貴時(shí)間啊蹂空，逝者如斯夫…
watching_tv();
return;
}
可以看出，整個(gè)流程如同我們前面描述的一樣果录，所有工作要順序執(zhí)行上枕，沒(méi)有辦法完成并發(fā)任務(wù)。
如果用“中斷”弱恒，在開始燒水的時(shí)候設(shè)定一個(gè)10分鐘的“鬧鈴”辨萍，然后讓CPU去看電視（有點(diǎn)難度，具體實(shí)現(xiàn)不在我們關(guān)心的范圍之內(nèi)返弹，留給讀者自行解決吧：>）锈玉。等鬧鐘響的時(shí)候再去廚房關(guān)爐子。
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
// 鬧鐘到時(shí)會(huì)執(zhí)行此程序
void sig_alarm(int signo)
{
//關(guān)煤氣爐
printf(“Close gas oven.\n”);
}
void watching_tv()
{
while(1)
{
// 呵呵琉苇，悠哉悠哉
}
}
int main()
{
// 點(diǎn)火后設(shè)置定時(shí)中斷
printf(“Start to boil water, set Alarm”);
if (signal( SIGALRM, sig_alrm ) == SIG_ERR)
{
perror("signal(SIGALRM) error");
return -1;
}
// 然后就可以欣賞電視節(jié)目了
printf(“Watching TV!\n”);
watching_tv();
return 0;
}
這兩段程序都在用戶空間執(zhí)行嘲玫。第二段程序跟中斷也沒(méi)有太大的關(guān)系，實(shí)際上它只用了信號(hào)機(jī)制而已并扇。但是，通過(guò)這兩個(gè)程序的對(duì)比抡诞，我們可以清楚地看到異步事件的處理機(jī)制是如何提升并發(fā)處理能力的穷蛹。
Alarm定時(shí)器：alarm相當(dāng)于系統(tǒng)中的一個(gè)定時(shí)器土陪，如果我們調(diào)用alarm(5)，那么5秒鐘后就會(huì)“響起一個(gè)鬧鈴”（實(shí)際上靠信號(hào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的肴熏，我們這里不想深入細(xì)節(jié)鬼雀，如果你對(duì)此很感興趣，請(qǐng)參考Richard Stevens不朽著作《Unix環(huán)境高級(jí)編程》）蛙吏。在鬧鈴響起的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么呢?系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行一個(gè)函數(shù)源哩，至于到底是什么函數(shù)，系統(tǒng)允許程序自行決定鸦做。程序員編寫一個(gè)函數(shù)励烦，并調(diào)用signal對(duì)該函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)，這樣一旦定時(shí)到來(lái)泼诱，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用程序員提供的函數(shù)（CallBack函數(shù)坛掠？沒(méi)錯(cuò)，不過(guò)在這里如何實(shí)現(xiàn)并不關(guān)鍵治筒，我們就不引入新的概念和細(xì)節(jié)了）屉栓。上面的例子里我們提供的函數(shù)是sig_alarm，所做的工作很簡(jiǎn)單耸袜，打印“關(guān)閉煤氣灶”消息友多。
上面的兩個(gè)例子很簡(jiǎn)單，但很能說(shuō)明問(wèn)題堤框，首先夷陋，它證明采用異步的消息處理機(jī)制可以提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。更重要的是胰锌，它揭示了這種處理機(jī)制的模式骗绕。用戶根據(jù)需要設(shè)計(jì)處理程序，并可以將該程序和特定的外部事件綁定起來(lái)资昧，在外部事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用處理程序酬土，完成相關(guān)工作。這種模式給系統(tǒng)帶來(lái)了統(tǒng)一的管理方法格带，也帶來(lái)無(wú)盡的功能擴(kuò)展空間撤缴。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中斷機(jī)制是非常復(fù)雜的一件工作，再怎么說(shuō)人都是高度智能化的生物叽唱，而計(jì)算機(jī)作為一個(gè)鐵疙瘩屈呕，沒(méi)有程序的教導(dǎo)就一事無(wú)成。而處理一個(gè)中斷過(guò)程棺亭，它受到的限制和需要學(xué)習(xí)的東西太多了虎眨。
首先，計(jì)算機(jī)能夠接收的外部信號(hào)形式非常有限。中斷是由外部的輸入引起的嗽桩，可以說(shuō)是一種刺激岳守。在燒水的場(chǎng)景中，這些輸入是叫聲和電視的音樂(lè)碌冶，我們這里只以聲音為例湿痢。其實(shí)現(xiàn)實(shí)世界中能輸入人類CPU——大腦的信號(hào)很多，圖像扑庞、氣味一樣能被我們接受譬重，人的信息接口很完善。而計(jì)算機(jī)則不然罐氨，接受外部信號(hào)的途徑越多臀规，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)就越復(fù)雜，代價(jià)就越高岂昭。因此個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）給所有的外部刺激只留了一種輸入方式——特定格式的電信號(hào)以现，并對(duì)這種信號(hào)的格式、接入方法约啊、響應(yīng)方法邑遏、處理步驟都做了規(guī)約（具體內(nèi)容本文后面部分會(huì)繼續(xù)詳解），這種信號(hào)就是中斷或中斷信號(hào)恰矩，而這一整套機(jī)制就是中斷機(jī)制记盒。
其次，計(jì)算機(jī)不懂得如何應(yīng)對(duì)信號(hào)外傅。人類的大腦可以自行處理外部輸入纪吮，我從來(lái)不用去擔(dān)心鬧鐘響時(shí)會(huì)手足無(wú)措——走進(jìn)廚房關(guān)煤氣，這簡(jiǎn)直是天經(jīng)地義的事情萎胰，還用大腦想啊碾盟，小腿肚子都知道——可惜計(jì)算機(jī)不行，沒(méi)有程序技竟，它就紋絲不動(dòng)冰肴。因此，必須有機(jī)制保證外部中斷信號(hào)到來(lái)后榔组，有正確的程序在正確的時(shí)候被執(zhí)行熙尉。
還有，計(jì)算機(jī)不懂得如何保持工作的持續(xù)性搓扯。我在看電視的時(shí)候如果去廚房關(guān)了煤氣检痰，回來(lái)以后能繼續(xù)將電視進(jìn)行到底，不受太大的影響锨推。而計(jì)算機(jī)則不然铅歼，如果放下手頭的工作直接去處理“意外”的中斷公壤，那么它就再也沒(méi)有辦法想起來(lái)曾經(jīng)作過(guò)什么，做到什么程度了谭贪。自然也就沒(méi)有什么“重操舊業(yè)”的機(jī)會(huì)了境钟。這樣的處理方式就不是并發(fā)執(zhí)行锦担，而是東一榔頭俭识，西一棒槌了。
那么洞渔，通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何解決這些問(wèn)題的呢套媚？它是靠硬件和軟件配合來(lái)協(xié)同實(shí)現(xiàn)中斷處理的全過(guò)程的。我們將通過(guò)Intel X86架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)來(lái)介紹這一過(guò)程磁椒。
CPU執(zhí)行完一條指令后堤瘤，下一條指令的邏輯地址存放在cs和eip這對(duì)寄存器中。在執(zhí)行新指令前浆熔，控制單元會(huì)檢查在執(zhí)行前一條指令的過(guò)程中是否有中斷或異常發(fā)生本辐。如果有，控制單元就會(huì)拋下指令医增，進(jìn)入下面的流程：
確定與中斷或異常關(guān)聯(lián)的向量i (0￡i￡255)尋找向量對(duì)應(yīng)的處理程序保存當(dāng)前的“工作現(xiàn)場(chǎng)”慎皱，執(zhí)行中斷或異常的處理程序處理程序執(zhí)行完畢后，把控制權(quán)交還給控制單元控制單元恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)叶骨，返回繼續(xù)執(zhí)行原程序
讓我們深入這個(gè)流程茫多，看看都有什么問(wèn)題需要面對(duì)。
1忽刽、異常是什么概念天揖？
在處理器執(zhí)行到由于編程失誤而導(dǎo)致的錯(cuò)誤指令（例如除數(shù)是0）的時(shí)候，或者在執(zhí)行期間出現(xiàn)特殊情況（例如缺頁(yè)）跪帝，需要靠操作系統(tǒng)來(lái)處理的時(shí)候今膊，處理器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常。對(duì)大部分處理器體系結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)伞剑，處理異常和處理中斷的方式基本是相同的斑唬，x86架構(gòu)的CPU也是如此。異常與中斷還是有些區(qū)別纸泄，異常的產(chǎn)生必須考慮與處理器時(shí)鐘的同步赖钞。實(shí)際上，異常往往被稱為同步中斷聘裁。
2雪营、中斷向量是什么？
中斷向量代表的是中斷源——從某種程度上講衡便，可以看作是中斷或異常的類型献起。中斷和異常的種類很多洋访，比如說(shuō)被0除是一種異常，缺頁(yè)又是一種異常谴餐，網(wǎng)卡會(huì)產(chǎn)生中斷姻政，聲卡也會(huì)產(chǎn)生中斷，CPU如何區(qū)分它們呢岂嗓？中斷向量的概念就是由此引出的汁展，其實(shí)它就是一個(gè)被送通往CPU數(shù)據(jù)線的一個(gè)整數(shù)。CPU給每個(gè)IRQ分配了一個(gè)類型號(hào)厌殉，通過(guò)這個(gè)整數(shù)CPU來(lái)識(shí)別不同類型的中斷食绿。這里可能很多朋友會(huì)尋問(wèn)為什么還要弄個(gè)中斷向量這么麻煩的東東？為什么不直接用IRQ0~IRQ15就完了公罕？比如就讓IRQ0為0器紧，IRQ1為1……，這不是要簡(jiǎn)單得多么楼眷？其實(shí)這里體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)規(guī)則铲汪，及節(jié)約規(guī)則。
首先我們先談?wù)劰?jié)約規(guī)則罐柳，所謂節(jié)約規(guī)則就是所使用的信號(hào)線數(shù)越少越好掌腰，這樣如果每個(gè)IRQ都獨(dú)立使用一根數(shù)據(jù)線，如IRQ0用0號(hào)線硝清，IRQ1用1號(hào)線……這樣辅斟，16個(gè)IRQ就會(huì)用16根線，這顯然是一種浪費(fèi)芦拿。那么也許馬上就有朋友會(huì)說(shuō)：那么只用4根線不就行了嗎士飒？（2^4=16）。
這個(gè)問(wèn)題蔗崎，體現(xiàn)了模塊設(shè)計(jì)規(guī)則酵幕。我們?cè)谇懊婢驼f(shuō)過(guò)中斷有很多類，可能是外部硬件觸發(fā)缓苛，也可能是由軟件觸發(fā)芳撒，然而對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)中斷就是中斷，只有一種未桥，CPU不用管它到底是由外部硬件觸發(fā)的還是由運(yùn)行的軟件本身觸發(fā)的笔刹，因?yàn)閷?duì)于CPU來(lái)說(shuō)，中斷處理的過(guò)程都是一樣的：中斷現(xiàn)行程序冬耿，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序處執(zhí)行舌菜，回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。CPU總共可以處理256種中斷亦镶，而并不知道日月，也不應(yīng)當(dāng)讓CPU知道這是硬件來(lái)的中斷還是軟件來(lái)的中斷袱瓮，這樣，就可以使CPU的設(shè)計(jì)獨(dú)立于中斷控制器的設(shè)計(jì)爱咬，這樣CPU所需完成的工作就很單純了尺借。CPU對(duì)于其它的模塊只提供了一種接口，這就是256個(gè)中斷處理向量精拟，也稱為中斷號(hào)燎斩。由這些中斷控制器自行去使用這256個(gè)中斷號(hào)中的一個(gè)與CPU進(jìn)行交互，比如串前，硬件中斷可以使用前128個(gè)號(hào)瘫里，軟件中斷使用后128個(gè)號(hào)实蔽，也可以軟件中斷使用前128個(gè)號(hào)荡碾，硬件中斷使用后128個(gè)號(hào)，這與CPU完全無(wú)關(guān)了局装，當(dāng)你需要處理的時(shí)候坛吁，只需告訴CPU你用的是哪個(gè)中斷號(hào)就行，而不需告訴CPU你是來(lái)自哪兒的中斷铐尚。這樣也方便了以后的擴(kuò)充拨脉，比如現(xiàn)在機(jī)器里又加了一片8259芯片，那么這個(gè)芯片就可以使用空閑的中斷號(hào)宣增，看哪一個(gè)空閑就使用哪一個(gè)玫膀，而不是必須要使用第0號(hào)，或第1號(hào)中斷號(hào)了爹脾。其實(shí)這相當(dāng)于一種映射機(jī)制帖旨，把IRQ信號(hào)映射到不同的中斷號(hào)上，IRQ的排列或說(shuō)編號(hào)是固定的灵妨，但通過(guò)改變映射機(jī)制解阅，就可以讓IRQ映射到不同的中斷號(hào)，也可以說(shuō)調(diào)用不同的中斷服務(wù)程序泌霍。
3货抄、什么是中斷服務(wù)程序？
在響應(yīng)一個(gè)特定中斷的時(shí)候朱转，內(nèi)核會(huì)執(zhí)行一個(gè)函數(shù)蟹地，該函數(shù)叫做中斷處理程序（interrupt handler）或中斷服務(wù)程序（interrupt service routine(ISR)）。產(chǎn)生中斷的每個(gè)設(shè)備都有相應(yīng)的中斷處理程序藤为。例如怪与，由一個(gè)函數(shù)專門處理來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘的中斷，而另外一個(gè)函數(shù)專門處理由鍵盤產(chǎn)生的中斷凉蜂。
一般來(lái)說(shuō)琼梆，中斷服務(wù)程序要負(fù)責(zé)與硬件進(jìn)行交互性誉，告訴該設(shè)備中斷已被接收。此外茎杂，還需要完成其他相關(guān)工作错览。比如說(shuō)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷服務(wù)程序除了要對(duì)硬件應(yīng)答，還要把來(lái)自硬件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包拷貝到內(nèi)存煌往，對(duì)其進(jìn)行處理后再交給合適的協(xié)議椙悴福或應(yīng)用程序。每個(gè)中斷服務(wù)程序根據(jù)其要完成的任務(wù)刽脖，復(fù)雜程度各不相同羞海。
一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)設(shè)備的中斷服務(wù)程序是它的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（device driver）的一部分——設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理的內(nèi)核代碼曲管。
4却邓、隔離變化
不知道您有沒(méi)有意識(shí)到，中斷處理前面這部分的設(shè)計(jì)是何等的簡(jiǎn)單優(yōu)美院水。人是高度智能化的腊徙，能夠?qū)τ龅降母鞣N意外情況做有針對(duì)性的處理，計(jì)算機(jī)相比就差距甚遠(yuǎn)了檬某，它只能根據(jù)預(yù)定的程序進(jìn)行操作撬腾。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件支持的恢恼，只能是中斷這種電信號(hào)傳播的方式和CPU對(duì)這種信號(hào)的接收方法民傻，而具體如何處理這個(gè)中斷，必須得靠操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)场斑。操作系統(tǒng)支持所有事先能夠預(yù)料到的中斷信號(hào)漓踢，理論上都不存在太大的挑戰(zhàn)，但在操作系統(tǒng)安裝到計(jì)算機(jī)設(shè)備上以后和簸，肯定會(huì)時(shí)常有新的外圍設(shè)備被加入系統(tǒng)彭雾，這可能會(huì)帶來(lái)安裝系統(tǒng)時(shí)根本無(wú)法預(yù)料的“意外”中斷。如何支持這種擴(kuò)展锁保，是整個(gè)系統(tǒng)必須面對(duì)的薯酝。
而硬件和軟件在這里的協(xié)作，給我們帶來(lái)了完美的答案爽柒。當(dāng)新的設(shè)備引入新類型的中斷時(shí)吴菠，CPU和操作系統(tǒng)不用關(guān)注如何處理它。CPU只負(fù)責(zé)接收中斷信號(hào)浩村，并引用中斷服務(wù)程序做葵；而操作系統(tǒng)提供默認(rèn)的中斷服務(wù)——一般來(lái)說(shuō)就是不理會(huì)這個(gè)信號(hào)，返回就可以了——并負(fù)責(zé)提供接口心墅，讓用戶通過(guò)該接口注冊(cè)根據(jù)設(shè)備具體功能而編制的中斷服務(wù)程序酿矢。如果用戶注冊(cè)了對(duì)應(yīng)于一個(gè)中斷的服務(wù)程序榨乎，那么CPU就會(huì)在該中斷到來(lái)時(shí)調(diào)用用戶注冊(cè)的服務(wù)程序。這樣瘫筐，在中斷來(lái)臨時(shí)系統(tǒng)需要如何操作硬件蜜暑、如何實(shí)現(xiàn)硬件功能這部分工作就完全獨(dú)立于CPU架構(gòu)和操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了。
而當(dāng)你需要加入新設(shè)備的時(shí)候策肝，只需要告訴操作系統(tǒng)該設(shè)備占用的中斷號(hào)肛捍、按照操作系統(tǒng)要求的接口格式撰寫中斷服務(wù)程序，用操作系統(tǒng)提供的函數(shù)注冊(cè)該服務(wù)程序之众，設(shè)備的中斷就被系統(tǒng)支持了拙毫。
中斷和對(duì)中斷的處理被解除了耦合。這樣棺禾，無(wú)論是你在需要加入新的中斷時(shí)缀蹄，還是在你需要改變現(xiàn)有中斷的服務(wù)程序時(shí)、又或是取消對(duì)某個(gè)中斷支持的時(shí)候帘睦，CPU架構(gòu)和操作系統(tǒng)都無(wú)需作改變袍患。
5、保存當(dāng)前工作“現(xiàn)場(chǎng)”
在中斷處理完畢后竣付，計(jì)算機(jī)一般來(lái)說(shuō)還要回頭處理原先手頭正做的工作。這給中斷的概念帶來(lái)些額外的“內(nèi)涵”滞欠。注一“回頭”不是指從頭再來(lái)重新做古胆，而是要接著剛才的進(jìn)度繼續(xù)做。這就需要在處理中斷信號(hào)之前保留工作“現(xiàn)場(chǎng)”筛璧∫菀铮“現(xiàn)場(chǎng)”這個(gè)詞比較晦澀，其實(shí)就是指一個(gè)信息集夭谤，它能反映某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上任務(wù)的狀態(tài)棺牧，并能保證按照這些信息就能恢復(fù)任務(wù)到該狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行下去朗儒。再直白一點(diǎn)颊乘，現(xiàn)場(chǎng)不過(guò)就是一組寄存器值。而如何保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)場(chǎng)景是中斷機(jī)制需要考慮的重點(diǎn)之一醉锄。
每個(gè)中斷處理都要經(jīng)歷這個(gè)保存和恢復(fù)過(guò)程乏悄，我們可以抽象出其中的步驟：
保存現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行具體的中斷服務(wù)程序從中斷服務(wù)返回恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)
上面說(shuō)過(guò)了，“現(xiàn)場(chǎng)”看似在不斷變化恳不，沒(méi)有哪個(gè)瞬間相同檩小。但實(shí)際上組成現(xiàn)場(chǎng)的要素卻不會(huì)有任何改變。也就是說(shuō)烟勋，只要我們保存了相關(guān)的寄存器狀態(tài)规求，現(xiàn)場(chǎng)就能保存下來(lái)筐付。而恢復(fù)“現(xiàn)場(chǎng)”就是重新載入這些寄存器。換句話說(shuō)阻肿，對(duì)于任何一個(gè)中斷家妆，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)所做的都是完全相同的操作。
既然操作相同冕茅，實(shí)現(xiàn)操作的過(guò)程和代碼就相同伤极。減少代碼的冗余是模塊化設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，實(shí)在沒(méi)有道理讓所有的中斷服務(wù)程序都重復(fù)實(shí)現(xiàn)這樣的功能姨伤，應(yīng)該將它作為一種基本的結(jié)構(gòu)由底層的操作系統(tǒng)或硬件完成哨坪。而對(duì)中斷的處理過(guò)程需要迅速完成，因此乍楚，Intel CPU的控制器就承擔(dān)了這個(gè)任務(wù)当编，非但如此，上面的所有步驟次序都被固化下來(lái)徒溪，由控制器驅(qū)動(dòng)完成忿偷。保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)都由硬件自動(dòng)完成，大大減輕了操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的負(fù)擔(dān)臊泌。
6鲤桥、硬件對(duì)中斷支持的細(xì)節(jié)
下面的部分，本來(lái)應(yīng)該介紹8259渠概、中斷控制器編程茶凳、中斷描述符表等內(nèi)容，可是我看到了瀟寒寫的“保護(hù)模式下的8259A芯片編程及中斷處理探究”播揪，前人之述備矣贮喧，讀者直接讀它好了。
二猪狈、從外而內(nèi)箱沦，Linux對(duì)中斷的支持
在Linux中，中斷處理程序看起來(lái)就是普普通通的C函數(shù)雇庙。只不過(guò)這些函數(shù)必須按照特定的類型聲明谓形，以便內(nèi)核能夠以標(biāo)準(zhǔn)的方式傳遞處理程序的信息，在其他方面状共，它們與一般的函數(shù)看起來(lái)別無(wú)二致套耕。中斷處理程序與其它內(nèi)核函數(shù)的真正區(qū)別在于，中斷處理程序是被內(nèi)核調(diào)用來(lái)響應(yīng)中斷的峡继，而它們運(yùn)行于我們稱之為中斷上下文的特殊上下文中冯袍。關(guān)于中斷上下文，我們將在后面討論。
中斷可能隨時(shí)發(fā)生康愤，因此中斷處理程序也就隨時(shí)可能執(zhí)行儡循。所以必須保證中斷處理程序能夠快速執(zhí)行，這樣才能保證盡可能快地恢復(fù)被中斷代碼的執(zhí)行征冷。因此择膝，盡管對(duì)硬件而言，迅速對(duì)其中斷進(jìn)行服務(wù)非常重要检激。但對(duì)系統(tǒng)的其它部分而言肴捉，讓中斷處理程序在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成執(zhí)行也同樣重要。
即使最精簡(jiǎn)版的中斷服務(wù)程序叔收，它也要與硬件進(jìn)行交互齿穗，告訴該設(shè)備中斷已被接收。但通常我們不能像這樣給中斷服務(wù)程序隨意減負(fù)饺律，相反窃页，我們要靠它完成大量的其它工作。作為一個(gè)例子复濒，我們可以考慮一下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷處理程序面臨的挑戰(zhàn)脖卖。該處理程序除了要對(duì)硬件應(yīng)答，還要把來(lái)自硬件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包拷貝到內(nèi)存巧颈，對(duì)其進(jìn)行處理后再交給合適的協(xié)議椘枘荆或應(yīng)用程序。顯而易見洛二，這種運(yùn)動(dòng)量不會(huì)太小馋劈。
現(xiàn)在我們來(lái)分析一下Linux操作系統(tǒng)為了支持中斷機(jī)制，具體都需要做些什么工作晾嘶。
首先，操作系統(tǒng)必須保證新的中斷能夠被支持娶吞。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件留給外設(shè)的是一個(gè)統(tǒng)一的中斷信號(hào)接口垒迂。它固化了中斷信號(hào)的接入和傳遞方法监右，拿PC機(jī)來(lái)說(shuō)便斥，中斷機(jī)制是靠?jī)蓧K8259和CPU協(xié)作實(shí)現(xiàn)的肋殴。外設(shè)要做的只是把中斷信號(hào)發(fā)送到8259的某個(gè)特定引腳上暮芭，這樣8259就會(huì)為此中斷分配一個(gè)標(biāo)識(shí)——也就是通常所說(shuō)的中斷向量胞谈，通過(guò)中斷向量纽门，CPU就能夠在以中斷向量為索引的表——中斷向量表——里找到中斷服務(wù)程序没炒，由它決定具體如何處理中斷浓领。（具體細(xì)節(jié)還請(qǐng)查閱參考資料1陶耍，對(duì)于為何采用這種機(jī)制奋蔚，該資料有精彩描述）這是硬件規(guī)定的機(jī)制，軟件只能無(wú)條件服從。
因此泊碑，操作系統(tǒng)對(duì)新中斷的支持坤按，說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)，就是維護(hù)中斷向量表馒过。新的外圍設(shè)備加入系統(tǒng)臭脓，首先得明確自己的中斷向量號(hào)是多少，還得提供自身中斷的服務(wù)程序腹忽，然后利用Linux的內(nèi)核調(diào)用界面来累，把〈中斷向量號(hào)、中斷服務(wù)程序〉這對(duì)信息填寫到中斷向量表中去窘奏。這樣CPU在接收到中斷信號(hào)時(shí)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用中斷服務(wù)程序了嘹锁。這種注冊(cè)操作一般是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成的。
其次蔼夜，操作系統(tǒng)必須提供給程序員簡(jiǎn)單可靠的編程界面來(lái)支持中斷兼耀。中斷的基本流程前面已經(jīng)講了，它會(huì)打斷當(dāng)前正在進(jìn)行的工作去執(zhí)行中斷服務(wù)程序求冷，然后再回到先前的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行瘤运。這中間有大量需要解決問(wèn)題：如何保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)、嵌套中斷如何處理等等匠题，操作系統(tǒng)要一一化解拯坟。程序員，即使是驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)人員韭山，在寫中斷服務(wù)程序的時(shí)候也很少需要對(duì)被打斷的進(jìn)程心存憐憫郁季。（當(dāng)然，出于提高系統(tǒng)效率的考慮钱磅，編寫驅(qū)動(dòng)程序要比編寫用戶級(jí)程序多一些條條框框梦裂，誰(shuí)讓我們頂著系統(tǒng)程序員的光環(huán)呢？）
操作系統(tǒng)為我們屏蔽了這些與中斷相關(guān)硬件機(jī)制打交道的細(xì)節(jié)盖淡，提供了一套精簡(jiǎn)的接口年柠，讓我們用極為簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際中斷的支持，Linux是怎么完美的做到這一點(diǎn)的呢褪迟？
CPU對(duì)中斷處理的流程：
我們首先必須了解CPU在接收到中斷信號(hào)時(shí)會(huì)做什么冗恨。沒(méi)辦法，操作系統(tǒng)必須了解硬件的機(jī)制味赃，不配合硬件就寸步難行∠颇ǎ現(xiàn)在我們假定內(nèi)核已被初始化，CPU在保護(hù)模式下運(yùn)行心俗。
CPU執(zhí)行完一條指令后傲武，下一條指令的邏輯地址存放在cs和eip這對(duì)寄存器中。在執(zhí)行新指令前，控制單元會(huì)檢查在執(zhí)行前一條指令的過(guò)程中是否有中斷或異常發(fā)生谱轨。如果有戒幔，控制單元就會(huì)拋下指令，進(jìn)入下面的流程：
- 確定與中斷或異常關(guān)聯(lián)的向量i (0￡i￡255)土童。
- 籍由idtr寄存器從IDT表中讀取第i項(xiàng)（在下面的描述中诗茎，我們假定該IDT表項(xiàng)中包含的是一個(gè)中斷門或一個(gè)陷阱門）。
- 從gdtr寄存器獲得GDT的基地址献汗，并在GDT表中查找敢订，以讀取IDT表項(xiàng)中的選擇符所標(biāo)識(shí)的段描述符。這個(gè)描述符指定中斷或異常處理程序所在段的基地址罢吃。
- 確信中斷是由授權(quán)的（中斷）發(fā)生源發(fā)出的楚午。首先將當(dāng)前特權(quán)級(jí)CPL（存放在cs寄存器的低兩位）與段描述符（即DPL，存放在GDT中）的描述符特權(quán)級(jí)比較尿招，如果CPL小于DPL矾柜，就產(chǎn)生一個(gè)“通用保護(hù)”異常，因?yàn)橹袛嗵幚沓绦虻奶貦?quán)不能低于引起中斷的程序的特權(quán)就谜。對(duì)于編程異常怪蔑，則做進(jìn)一步的安全檢查：比較CPL與處于IDT中的門描述符的DPL，如果DPL小于CPL丧荐，就產(chǎn)生一個(gè)“通用保護(hù)”異常缆瓣。這最后一個(gè)檢查可以避免用戶應(yīng)用程序訪問(wèn)特殊的陷阱門或中斷門。
- 檢查是否發(fā)生了特權(quán)級(jí)的變化虹统，也就是說(shuō)弓坞， CPL是否不同于所選擇的段描述符的DPL。如果是车荔，控制單元必須開始使用與新的特權(quán)級(jí)相關(guān)的棧渡冻。通過(guò)執(zhí)行以下步驟來(lái)做到這點(diǎn)：
a.讀tr寄存器，以訪問(wèn)運(yùn)行進(jìn)程的TSS段忧便。
b.用與新特權(quán)級(jí)相關(guān)的棧段和棧指針的正確值裝載ss和esp寄存器菩帝。這些值可以在TSS中找到（參見第三章的“任務(wù)狀態(tài)段”一節(jié)）。
c.在新的棧中保存ss和esp以前的值茬腿，這些值定義了與舊特權(quán)級(jí)相關(guān)的棧的邏輯地址。 - 如果故障已發(fā)生宜雀，用引起異常的指令地址裝載cs和eip寄存器切平，從而使得這條指令能再次被執(zhí)行。
- 在棧中保存eflag辐董、cs及eip的內(nèi)容悴品。
- 如果異常產(chǎn)生了一個(gè)硬錯(cuò)誤碼，則將它保存在棧中。
- 裝載cs和eip寄存器苔严，其值分別是IDT表中第i項(xiàng)門描述符的段選擇符和偏移量域定枷。這些值給出了中斷或者異常處理程序的第一條指令的邏輯地址。
控制單元所執(zhí)行的最后一步就是跳轉(zhuǎn)到中斷或者異常處理程序届氢。換句話說(shuō)欠窒，處理完中斷信號(hào)后，控制單元所執(zhí)行的指令就是被選中的處理程序的第一條指令退子。
中斷或異常被處理完后岖妄，相應(yīng)的處理程序必須產(chǎn)生一條iret指令，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給被中斷的進(jìn)程寂祥，這將迫使控制單元：
- 用保存在棧中的值裝載cs荐虐、eip、或eflag寄存器丸凭。如果一個(gè)硬錯(cuò)誤碼曾被壓入棧中福扬，并且在eip內(nèi)容的上面，那么惜犀，執(zhí)行iret指令前必須先彈出這個(gè)硬錯(cuò)誤碼铛碑。
- 檢查處理程序的CPL是否等于cs中最低兩位的值（這意味著被中斷的進(jìn)程與處理程序運(yùn)行在同一特權(quán)級(jí)）。如果是向拆，iret終止執(zhí)行亚茬；否則，轉(zhuǎn)入下一步浓恳。
- 從棧中裝載ss和esp寄存器刹缝，因此，返回到與舊特權(quán)級(jí)相關(guān)的棧颈将。
- 檢查ds梢夯、es、fs及gs段寄存器的內(nèi)容晴圾，如果其中一個(gè)寄存器包含的選擇符是一個(gè)段描述符颂砸，并且其DPL值小于CPL，那么死姚，清相應(yīng)的段寄存器人乓。控制單元這么做是為了禁止用戶態(tài)的程序（CPL=3）利用內(nèi)核以前所用的段寄存器（DPL=0）都毒。如果不清這些寄存器色罚，懷有惡意的用戶程序就可能利用它們來(lái)訪問(wèn)內(nèi)核地址空間。
再次账劲，操作系統(tǒng)必須保證中斷信息能夠高效可靠的傳遞
注一：那么PowerOff（關(guān)機(jī)）算不算中斷呢戳护？如果從字面上講金抡，肯定符合漢語(yǔ)對(duì)中斷的定義，但是從信號(hào)格式腌且、處理方法等方面來(lái)看梗肝，就很難符合我們的理解了。Intel怎么說(shuō)的呢铺董？該中斷沒(méi)有采用通用的中斷處理機(jī)制巫击。那么到底是不是中斷呢？我也說(shuō)不上來(lái)：（
注二：更詳細(xì)的內(nèi)容和其它一些注意事項(xiàng)請(qǐng)參考內(nèi)核源代碼包中Documentations/rtc.txt
注三：之所以這里使用匯編而不是C來(lái)實(shí)現(xiàn)這些函數(shù)柄粹，是因?yàn)镃編譯器會(huì)在函數(shù)的實(shí)現(xiàn)中推入額外的棧信息喘鸟。而CPU在中斷來(lái)臨時(shí)保存和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)都按照嚴(yán)格的格式進(jìn)行，一個(gè)字節(jié)的變化都不能有驻右。
