操作系统中断机制

什么是中断

操作系统需要对连接到计算机上的所有硬件设备进行管理，要管理这些设备，首先得和它们互相通信才行，一般有两种方案可实现这种功能：

• 轮询（polling） 让内核定期对设备的状态进行查询，然后做出相应的处理；
• 中断（interrupt） 让硬件在需要的时候向内核发出信号（变内核主动为硬件主动）。
  第一种方案会让内核做不少的无用功，因为轮询总会周期性的重复执行，大量地耗用 CPU 时间，因此效率及其低下，所以一般都是采用第二种方案 。
  从物理学的角度看，中断是一种电信号，由硬件设备产生，并直接送入中断控制器（如 8259A）的输入引脚上，然后再由中断控制器向处理器发送相应的信号。处理器一经检测到该信号，便中断自己当前正在处理的工作，转而去处理中断。此后，处理器会通知 OS 已经产生中断。这样，OS 就可以对这个中断进行适当的处理，不同的设备对应的中断不同。【引自Linux 内核中断内幕】。

中断分类

中断可分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：

1. 同步中断是当指令执行时由 CPU 控制单元产生，之所以称为同步，是因为只有在一条指令执行完毕后 CPU 才会发出中断，而不是发生在代码指令执行期间，比如系统调用。

2. 异步中断是指由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机产生，即意味着中断能够在指令之间发生，例如键盘中断。

根据 Intel 官方资料，同步中断称为异常（exception），异步中断被称为中断（interrupt）。

中断可分为可屏蔽中断（Maskable interrupt）和非屏蔽中断（Nomaskable interrupt）。异常可分为故障（fault）、陷阱（trap）、终止（abort）三类。
从广义上讲，中断可分为四类：中断、故障、陷阱、终止。

类别	原因	异步/同步	返回行为
中断	来自I/O设备的信号	异步	总是返回到下一条指令
陷阱	有意的异常	同步	总是返回到下一条指令
故障	潜在可恢复的错误	同步	返回到当前指令
终止	不可恢复的错误	同步	不会返回

Linux中断处理简介

中断描述符表（Interrupt Descriptor Table，IDT）是一个系统表，它与每一个中断或异常向量相联系，每一个向量在表中存放的是相应的中断或异常处理程序的入口地址。内核在允许中断发生前，也就是在系统初始化时，必须把 IDT 表的初始化地址装载到 idtr 寄存器中，初始化表中的每一项。
当处于实模式下时，IDT 被初始化并由 BIOS 程序所使用。然而，一旦 Linux 开始接管，IDT 就被移到 ARM 的另一个区域，并进行第二次初始化，因为 Linux 不使用任何 BIOS 程序，而使用自己专门的中断服务程序（例程）（interrupt service routine，ISR）。
外设要向Linux内核注册中断处理程序，当中断发生时，通过中断描述符表 IDT 获取中断服务程序入口地址，从而执行中断处理程序。【引自Linux 内核中断内幕】

什么条件下回触发中断

• 1.如上所述，由外部设备控制器主动发起的中断信号，用于向操作系统通知某个事件发生。
• 2.进程同步使用硬件资源时（如声卡、网卡、键盘、磁盘等），由于阻塞或响应耗时，为了CPU更高效的被使用也会触发中断机制，切换当前执行的进程。
• 3.操作系统在做进程调度时，进程要按优先级轮流使用CPU时间片，切换进程时会触发软中断机制。

中断的流程

中断信号由外部设备发起，准确来说是由外部设备的控制器发起，比如网卡设备，网络数据包到达网卡，网卡控制器就向IO APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller）发送中断信号，IO APIC把信号发送给本地APIC，本地APIC把信号传送给CPU，CPU根据当时的情况判断是否要处理这个终端，如果处理，就保存当时的运行上下文，切换到中断上下文中，根据IDT（Interrupt Descriptor Table）查找对应的处理函数进行处理。处理完成后，需要恢复中断之前的状态。【参考详解操作系统中断】