中斷
概念
操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)的疯暑，整個(gè)操作系統(tǒng)離不開(kāi)中斷機(jī)制织鲸，所謂的中斷機(jī)制袋毙，宏觀上講就是cpu在執(zhí)行某件事情時(shí)可以暫停執(zhí)行當(dāng)前的任務(wù)而轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他任務(wù)的能力此虑。
分類(lèi)
整個(gè)中斷體系的示意圖如下所示：
如圖所示，三種類(lèi)型的中斷流程也在圖中用三種顏色的箭頭進(jìn)行了標(biāo)注库正。
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中斷
中斷流程如圖中紅色箭頭所示曲楚，中斷指來(lái)源于處理器之外的硬件設(shè)備的中斷事件，例如鍵盤(pán)輸入或者網(wǎng)卡數(shù)據(jù)已滿請(qǐng)求處理數(shù)據(jù)等褥符，外設(shè)會(huì)請(qǐng)求中斷并查詢中斷向量表或中斷描述表（實(shí)模式下為向量表龙誊，保護(hù)模式下為描述表，其實(shí)本質(zhì)沒(méi)有什么差別喷楣，都存儲(chǔ)著索引->系統(tǒng)調(diào)用類(lèi)型的映射關(guān)系）趟大，找到對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)由其對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作鹤树。中斷也有可屏蔽中斷與不可屏蔽中斷之分，通過(guò)兩條引腳引到CPU上逊朽，兩種中斷分別從不同引腳傳入cpu罕伯。所謂的不可屏蔽中斷就是那些無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行下去的中斷，例如斷電叽讳，例如內(nèi)存讀寫(xiě)出錯(cuò)追他。可屏蔽中斷可通過(guò)設(shè)置EFLAG寄存器中的IF標(biāo)志位選擇是否響應(yīng)中斷岛蚤。
兩種中斷通過(guò)兩個(gè)引腳接入CPU
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異常
異常流程如圖中橘黃色箭頭所示邑狸，指當(dāng)前運(yùn)行指令引起的中斷事件，例如地址越界訪問(wèn)涤妒，讀區(qū)域進(jìn)行寫(xiě)操作推溃，缺頁(yè)異常，算數(shù)溢出届腐，硬件異常（cpu內(nèi)部異常）铁坎，這些異常都有由操作系統(tǒng)中的異常服務(wù)處理。
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系統(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用如圖中綠色箭頭所述犁苏，用戶調(diào)用的函數(shù)會(huì)主動(dòng)的陷入內(nèi)核硬萍，在linux中由int 0x80這樣的一條指令主動(dòng)陷入內(nèi)核，內(nèi)核函數(shù)可以有無(wú)數(shù)中围详，但是都由一個(gè)入口進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用朴乖，在系統(tǒng)調(diào)用表上根據(jù)參數(shù)不同進(jìn)行具體的調(diào)用服務(wù)選擇。系統(tǒng)調(diào)用的中斷與硬件無(wú)關(guān)助赞，屬于自愿性中斷事件买羞，應(yīng)用程序主動(dòng)向操作發(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求，語(yǔ)義為請(qǐng)求os的服務(wù)雹食。
中斷源
- 中斷：cpu以外的硬件設(shè)備畜普，例如鍵盤(pán)，網(wǎng)卡等
- 異常：應(yīng)用程序意想不到的行為群叶，如對(duì)只讀區(qū)域進(jìn)行寫(xiě)操作吃挑，所讀取的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存中等
- 系統(tǒng)調(diào)用：應(yīng)用程序請(qǐng)求內(nèi)核服務(wù)，例如read街立，write函數(shù)
響應(yīng)方式
- 中斷：異步
- 異常：同步
- 系統(tǒng)調(diào)用：異步舶衬、同步
中斷響應(yīng)過(guò)程
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發(fā)現(xiàn)中斷源，提出中斷請(qǐng)求
1.1 訪問(wèn)中斷寄存器赎离，查看是否有中斷記錄
1.2 判斷中斷是否被屏蔽
1.3 更具中斷優(yōu)先級(jí)決定優(yōu)先執(zhí)行哪一個(gè)中斷
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中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行
2.1 保存當(dāng)前程序執(zhí)行的狀態(tài)
轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)的中斷處理程序
系統(tǒng)調(diào)用
因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用在中斷比較特殊逛犹，作為開(kāi)發(fā)也經(jīng)常會(huì)遇到系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)概念，所以這里特別解釋西安系統(tǒng)調(diào)用
概念：System Call，指一些0特權(quán)級(jí)才能操作的函數(shù)虽画。
區(qū)分：系統(tǒng)調(diào)用掠手、庫(kù)函數(shù)、API狸捕、內(nèi)核函數(shù)
應(yīng)用程序可以直接進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用近尚，但這種情況較少砾省，一般都是通過(guò)一層庫(kù)函數(shù)進(jìn)行封裝鸡岗。由庫(kù)函數(shù)去陷入內(nèi)核進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用就是去調(diào)用一些內(nèi)核函數(shù)编兄，可能是單個(gè)內(nèi)核函數(shù)轩性，也可能是多個(gè)內(nèi)核函數(shù)的封裝，此外狠鸳，很多內(nèi)核函數(shù)是不允許外界調(diào)用揣苏。
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的基礎(chǔ)
- 中斷異常機(jī)制
- 設(shè)計(jì)一條特殊指令，使得用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)得以切換（在linux中為 int 0x80）
- 設(shè)置系統(tǒng)調(diào)用號(hào)以及參數(shù)件舵，因?yàn)樗械南到y(tǒng)調(diào)用都從同一個(gè)入口進(jìn)入內(nèi)核卸察，所以需要額外的編號(hào)對(duì)這些調(diào)用加以區(qū)分。參數(shù)一般放在棧上铅祸，但是用戶態(tài)的棧是沒(méi)法傳遞到內(nèi)核態(tài)的坑质，所以參數(shù)傳遞這塊，以linux為例临梗，是通過(guò)將參數(shù)放在通用寄存器上傳遞的涡扼。
- 初始化系統(tǒng)調(diào)用表，用于存放各個(gè)調(diào)用服務(wù)的入口地址
特殊指令 int 0x80
這里的int不是在高級(jí)語(yǔ)言中的那個(gè)整數(shù)int盟庞，int是一個(gè)指令吃沪。以x86 CPU手冊(cè)為例：
INT n/INTO/INT 3—Call to Interrupt Procedure
The INT n instruction generates a call to the interrupt or exception handler specified with the destination operand. The destination operand specifies a vector from 0 to 255, encoded as an 8-bit unsigned intermediate value. The INT n instruction is the general mnemonic for executing a software-generated call to an interrupt handler.
INT n指令集通常會(huì)調(diào)用一個(gè)具體的中斷、異常的handler什猖，該handler的目標(biāo)向量值范圍是8位無(wú)符號(hào)整數(shù)的范圍即0-255巷波，INT n指令通常用于執(zhí)行一個(gè)軟中斷。
翻譯很別扭卸伞，說(shuō)白了INT n指令會(huì)跳轉(zhuǎn)到n這個(gè)值所代表的中斷操作中抹镊，在linux中0x80代表著系統(tǒng)調(diào)用，所以 INT 0x80會(huì)使得應(yīng)用程序主動(dòng)陷入內(nèi)核荤傲，根據(jù)參數(shù)查詢具體的執(zhí)行函數(shù)垮耳，再執(zhí)行該函數(shù)。
至于linux源碼中對(duì)這些參數(shù)的設(shè)置，在文末給出的參考鏈接中有這樣的分析终佛，可以自己跟著源碼走一遍俊嗽，還是比較清晰的，這里就不到處截圖演示各種參數(shù)設(shè)置了铃彰。
Sample
#include <unistd.h>
int main(){
char string[5] = {'H','i','H','i','H','i','i'};
write(1,string,7);//高級(jí)語(yǔ)言中的write會(huì)翻譯成以下匯編
return 0;
}
_start:
movl $4,%eax #eax寄存器存放系統(tǒng)調(diào)用號(hào)绍豁，這里write函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用編號(hào)為4
movl $1,%ebx
movl $output,%ecx
movl $len,%edx
int $0x80 #linux中通過(guò)int0x80陷入內(nèi)核，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用
end:
movl $1,%eax #exit的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)為1
movl $0,%ebx #設(shè)置返回值
int $0x80 #陷入內(nèi)核牙捉，退出函數(shù)執(zhí)行
系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程詳解
- 中斷異常機(jī)制：硬件保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)竹揍，查詢中斷向量表，cpu控制權(quán)轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)調(diào)用總?cè)肟诔绦颉?/li>
- 系統(tǒng)調(diào)用總?cè)肟诔绦颍罕４娆F(xiàn)場(chǎng)邪铲，把參數(shù)保存到內(nèi)核的堆棧中芬位，查詢系統(tǒng)調(diào)用表，將cpu控制權(quán)轉(zhuǎn)交給相應(yīng)內(nèi)核函數(shù)
- 執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用例程
- 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)带到，返回用戶進(jìn)程
參考資料：
