Interrupt in Linux（硬件篇）—— PIC

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1.1史前的PIC

8259A是即我们通常说的PIC，如图1-1所示：

 

图1-1 8259A

其中最重要的管脚是IR0~IR7（Interrupt Request0~7，用于连接设备）、INT（连接CPU,当有中断请求时，拉高该管脚以通知CPU中断的到来）、INTA（连接CPU，CPU通过该管脚应答中断请求，并通知PIC提交中断的vector到数据线）。此外，由于一片8259A只能连接8个设备，对于现代PC架构来说显得过少，通常会通过CS（片选）将两个8259A连在一起构成一个可以连接15个设备（有一个管脚用于串联另一片8259A）的PIC。

既然是可编程的芯片，8259A当然少不了寄存器。除了ICW（Initialization Command Word，初始化命令寄存器，用于初始化8259A）和OCW（Operation Command Word，操作命令字，用于控制8259A）外，最重要的有3个寄存器：

u       IRR：Interrupt Request Register，中断请求寄存器，共8bit，对应IR0~IR7八个中断管脚。当某个管脚的中断请求到来后，若该管脚没有被屏蔽，IRR中对应的bit被置一。表示PIC已经收到设备的中断请求，但还未提交给CPU。

u       ISR：In Service Register，服务中寄存器，共8bit，每bit意义同上。当IRR中的某个中断请求被发送给CPU后，ISR中对应的bit被置一。表示中断已发送给CPU，但CPU还未处理完。

u       IMR：Interrupt Mask Register，中断屏蔽寄存器，共8bit，每bit意义同上。用于屏蔽中断。当某bit置一时，对应的中断管脚被屏蔽。

与APIC不同，PIC的每个管脚具有优先级，以0号管脚最高。也就说，连接号码较小的设备具有较高的中断优先级。通过对PIC的ICW寄存器编程，可以设定起始vector号，以计算当前中断的vector。例如，起始vector号设为16，IR3管脚产生了中断请求，则IR3对应的vector = 16+3 =19。通过PIC发起中断的典型流程如下：

1、  一个或多个IR管脚上产生电平信号，若对应的中断没有被屏蔽，IRR中相应的bit被置一。

2、  PIC拉高INT管脚通知CPU中断发生。

3、  CPU通过INTA管脚应答PIC，表示中断请求收到。

4、  PIC收到INTA应答后，将IRR中具有最高优先级的bit清零，并设置ISR中对应的bit。

5、  CPU通过INTA管脚第二次发出脉冲，PIC收到后计算最高优先级中断的vector，并将它提交到数据线上。

6、  等待CPU写EOI。收到EOI后，ISR中最高优先级的bit被清零。如果PIC处于AEOI模式，当第二个INTA脉冲收到后，ISR中最高优先级的bit自动清零。

上述流程中，EOI（End Of Interrupt）是CPU通知PIC中断处理结束的方式，由中断处理程序发起。对于PIC来说，EOI由OCW寄存器中的一个bit表示，可以通过写该寄存器发起EOI。AEOI（Auto EOI）是PIC的一种工作模式，由OCW寄存器配置。PIC有多种工作模式，我们最常使用的是PIC默认的模式，被称为Full Nested Mode。有兴趣的朋友可以参考8259A的spec了解详细信息。

前面提到，PIC的各个管脚是具有优先级的，当一个中断正被CPU处理时，优先级等于或低于该中断的中断被自动屏蔽。一个比当前中断优先级更高的中断会被马上发送给CPU，而不管CPU是否为当前中断写EOI。

PIC产生于那个动态配置还很少见的时代，大多中断管脚都被一些legacy设备（leagcy可以理解为老式设备）占用了，一个典型的PIC中断分配见图1-2：

 

图1-2 典型的PIC中断分配（摘自《Linux内核完全注释》）

当然，现代PC通常没有图中那么多并口、串口，也没有协处理器，一般来说5、7、9、 10、11管脚是可以被其它设备使用的。但万恶的是，出于兼容的目的，即使某个管脚没有接legacy设备，BIOS通常也会把它预留下来，例如IRQ3、4、13就经常是这种情况。由此可见，PIC能接的设备实在太少了，更致命的是，它无法适用于MP（Multiple Processor，多处理器）平台。随着SMP越来越普及，PIC注定要退出历史舞台，让位给来者。

笔者：上面对于PIC工作模式的论述，特别是优先级的论述，是基于PIC默认的Full Nested模式说的。这是PIC最常用的模式。实际上PIC还有优先级轮转(rotating)、特殊优先级轮转模式。优先级轮转是指PIC在服务完一个管脚后将其优先级降低，并升高未服务管脚的优先级，以实现一种类似轮询的模式。这和后面讲到的LAPIC Arb机制类似。