中断详解（一）——基本概念

1 概述

1.1什么是中断

   中断通常被定义为一个事件，该事件能够改变处理器执行指令的顺序。这样的事件与 CPU 芯片内外部硬件电路产生的电信号相对应。
    中断分为同步中断和异步中断。
    同步中断——同步中断是当指令执行时由 控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后 CPU 才会发出中断
    异步中断——异步中 断是由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机 产生的。
    通常我们所说的中断指的是异步中断，我们将同步中断称为异常。（异常是由程序的错误产生的，或者是由内核必须处理的异常条件产生的）

1.2 中断的作用

   跟据中断的定义，我们可以通过中断 使处理器转而去优先运行正常控制流之外的代 码。

     当 个中断信号达到肘， CPU 必须停止它当前正在傲的事情，并且切换到一个另一个 活动。为了做到这 ~-就要在内核态堆钱保存程序计数器的当前值 (ftn eip cs 存器的内容) ，并把与中断类型相关的 个地址放进程序计数量.

1.3 中断的约束

     中断处理是由内核执行的最敏感的任务之一，因为它必须满足下列约束:
    1）中断应该被尽可能快地处理完。
    2）中断处理程序必须编成使相应的内核控制路径能以嵌套的方式执行。
    3）内核在处理一个中断时，可接受新的中断。但存在一个临界区，中断必须被禁止。
    出于1）和3）的约束，中断的设计一般将中断处理程序分为两部分执行（即上半部和下半部函数）。上半部为中断被禁止的临界区，执行关键而紧急的任务，如把接收到的帧拷贝到输入队列，以便下半部函数执行时能进行处理。

1.4 中断的嵌套执行

    中断的约束第二点指明，中断处理程序必须编写成使响应的内核控制路径能够以嵌套的方式执行。
允许内核控制路径嵌套执行必须付出代价，那就是中断处理程序必须永不阻塞，换句话说，中断处理程序运行期间不能发生进程切换一个中断处理既可以抢占其他的中断处理程序.也可以抢占异常处理程序。相反，异常处理程序从不抢占中断处理程序。在内核态能触发的唯一异常就是刚刚描述的缺页异常.但是，中断处理程序从不执行可以导致缺页(因此意味着进程切换)的操作.
    基于以下两个主要原因. Linux交错执行内核控制路径:
    1)为了提高可编程中断控制器和设备控制器的吞吐量.假定设备控制器在一条IRQ线上产生了一个信号.PIC把这个信号转换成一个外部中断，然后PIC和设备控制器保持阻塞，一直到PIC从CPU处接收到一条应答信息.由于内核控制路径的交错执行，内核即使正在处理前一个中断，也能发送应答.
    2)为了实现一种没有优先级的中断模型。因为每个中断处理程序都可以被另一个中断处理程序延缓.因此，在硬件设备之闽没必要建立预定义优先级。这就简化了内核代码，提高了内核的可移植性。
    在多处理器系统上.几个内核控制路径可以并发执行.此外，与异常相关的内核控制路径可以开始在一个CPU上执行，并且由于进程切换而移往另一个CPU上执行.

2 中断分类

中断：

•     可屏蔽中断    ——I/O设备发出的所有中断请求(lRQ)都产生可屏蔽中断
  
•     不可屏蔽中断——只有几个危急事件(如硬件故障)才引起非屏融中断。非屏蔽中断总是由CPU辨认

异常：

•     处理器异常——当CPU执行指令时探测到的一个反常条件所产生的异常.（故障、陷阱、异常中止）
  
•     编程异常    ——在编程者发出请求时发生.是由int或int3指令触发

3 中断与IRQ

     每个能够发出中断请求的硬件设备控制器都有一条名为IRQ(lnterrupt ReQuest) 的输出 线。所有现有的IRQ线都与一个名为可编程中断控制器（PIC）的硬件电路的输入引脚相连。

    可编程中断控制器的功能：

    1） 监视IRQ线，检查产生的信号(raised signal).如果有条或两条以上的IRQ线上 产生信号，就选择引脚编号较小的IRQ线.（现在的高级可编程中断控制器APIC，通过重定向和中断向量优先级决定中断的优先级。

    2）  如果某个IRQ线上产生了引发信号：

          a.  把接收到的引发信号转换成对应的向量.

          b. 把这个向量存放在中断控制器的一个I/O端口，从而允许CPU通过数据总线读 此向量。

          c.  把引发信号发送到处理器的INTR引脚，则产生一个中断

          d.  等待，直到CPU通过把这个中断信号写进可编程中断控制器的一个I/O端口来 确认它，当这种情况发生肘，清INTR线.     

    3）返回到第1 步。

    IRQ线从0开始编号（IRQ0），与中断向量一一对应。其中IRQn 对应的是中断向量n+32，（即IRQ0对应的是中断向量32）。可通过可编程中断控制器修改映射关系。