硬件是如何发现与响应中断事件的?操作系统是如何处理中断的

Posted 2023-04-01

计算机系统中，硬件发现和响应中断事件的基本机制是通过中断控制器和中断向量表来实现的。当硬件检测到需要中断处理时，会向中断控制器发送信号，中断控制器会向CPU发送中断请求信号，在接收到中断信号后，CPU会暂停当前正在执行的程序，切换到中断服务路由程序（ISR）执行中断请求所要求的操作。

在操作系统处理中断时，会首先让中断控制器根据中断类型和设备ID查找中断向量表中相应的中断描述符，并执行其中的中断处理程序。中断处理程序会处理中断请求所要求的操作，然后恢复被中断的程序的执行状态，使其可以继续执行。如果系统当前正在执行高优先级的任务，操作系统可能会将中断请求加入到队列中，并等待能处理此类中断的CPU时间片。 参考技术A 这个过程非常复杂，给你说明白，我需要讲2个学期。

Linux内核17-硬件如何处理中断和异常

在上一篇文章中，我们已经了解了中断和异常的一些概念，对于中断和异常也有了大概的理解。那么，系统中硬件到底是如何处理中断和异常的呢？本文我们就以常见的X86架构为例，看看中断和异常的硬件工作原理。

1 高级可编程中断控制器-APIC

之前，我们主要考虑的单处理器系统，如果是多处理器系统，主PIC控制器的INTR管脚是如何接到CPU上的？我们接下来讨论这个话题。

我们知道，多核处理系统的价值在于 并行处理。所以，如何把中断分配到每一个CPU上就至关重要了。基于这个原因，Intel从奔腾III开始，引入一个新的高级可编程中断控制器（I/O-APIC）。这个控制器是8259A中断控制器的加强版。为了兼容旧版本的操作系统，有些主板包含这两种芯片。x86架构中，每个处理器包含自己的APIC，每个APIC具有32位的寄存器，内部时钟，内部定时器以及2个额外的IRQ线，LINT0和LINT1，用作APIC的中断。所有私有的APIC都连接到I/O-APIC，组成一个多APIC系统。

图4-1展示了一个多APIC系统的原理图。I/O-APIC通过APIC总线和各个APIC连接在一起。I/O-APIC相等于一个中继的角色。

图4-1 多APIC系统

I/O-APIC由24条中断线，中断重定向表，可编程寄存器和一个通过APIC总线收发数据的消息单元组成。与8259A中断控制器不同，管脚编号不再具有优先级：重定向表中的每一项都可以被独立设置中断向量和优先级，目的处理器以及处理器如何处理该中断。也就是说，中断重定向表就是外部IRQ到私有APIC的映射关系。

中断请求被分配到CPU上的方式有两种：

1. 静态分配

   按照重定向表中的定义把IRQ请求分配到相应的私有APIC高级可编程中断控制器上。中断可以指定给单个CPU，或者一组CPU，或者所有的CPU（相当于广播）。

2. 动态分配

   IRQ请求被发送给正在运行低优先级进程的处理器的私有APIC中断控制器上。通俗地说，就是哪个处理器正在运行低优先级任务，IRQ请求就发送给谁。

   每个私有APIC都有一个可编程任务优先级寄存器，用来保存当前运行任务的优先级。Intel期望每次进程切换的时候，操作系统内核修改这个寄存器。

   如果有多个CPU拥有相同的最低任务优先级，则使用仲裁技术分配中断请求。根据仲裁，每个CPU被分配一个不同的优先级（0-15，数字越小，优先级越大），这个优先级存储在私有APIC的任务优先级寄存器中。

   分配策略是，每当分配一个中断请求给一个CPU，则它对应的仲裁优先级被自动设为0，而其它CPU的仲裁优先级则被增加。当优先级寄存器中的值大于15时，则设为1。因为具有相同任务优先级的CPU的中断分配使用循环方式进行。

   动态分配的策略就是负载均衡的一种手段。关于负载均衡的算法以后再研究。

除了CPU与外设之间的中断，多APIC系统还允许CPU产生CPU之间的中断。当一个CPU想给另一个CPU发送中断时，它就会把目标CPU的私有APIC的标识符和中断号存储到自己APIC的中断命令寄存器（ICR）中。然后通过APIC总线发送给目标APIC，该APIC就会给自己的CPU发送一个相应的中断。

CPU间的中断（简称IPI）是多核系统一个重要组成部分。Linux有效地利用它们，在CPU之间传递消息。

目前，大部分的单核系统也都包含一个I/O-APIC芯片，可以使用两种不同的方式配置它：

1. 当一个标准的8259A类型的外部PIC使用。私有APIC被禁止，LINT0和LINT1这两个IRQ请求线被分别配置为INTR和NMI管脚。

2. 作为标准的I/O-APIC使用，只不过只有一个CPU而已。

2 异常

x86架构大约有20种不同的异常。内核必须为每种异常提供专用的处理函数。对于某些异常，CPU控制单元也会产生硬件错误码，并将其压入内核态栈，然后再启动异常处理函数。

下表是异常列表，列出了异常号，名称，类型等等。更多信息请参考Intel技术手册。

#	异常	类型	异常处理函数	信号
0	除法错误	fault	divide_error()	SIGFPE
1	Debug	trap/fault	debug( )	SIGTRAP
2	NMI	-	nmi( )	-
3	断点	trap	int3( )	SIGTRAP
4	溢出	trap	overflow( )	SIGSEGV
5	边界检查	fault	bounds( )	SIGSEGV
6	非法操作码	fault	invalid_op( )	SIGILL
7	设备不可用	fault	device_not_available( )	-
8	串行处理 异常错误	abort	doublefault_fn()	-
9	协处理器 错误	abort	coprocessor_segment_overrun( )	SIGFPE
10	非法TSS	fault	invalid_TSS( )	SIGSEGV
11	段引用错误	fault	segment_not_present( )	SIGBUS
12	栈段错误	fault	stack_segment( )	SIGBUS
13	通用保护	fault	general_protection( )	SIGSEGV
14	页错误	fault	page_fault( )	SIGSEGV
15	Intel保留	-	-	-
16	浮点错误	fault	coprocessor_error( )	SIGFPE
17	对齐检查	fault	alignment_check( )	SIGBUS
18	机器检查	abort	machine_check()	-
19	SIMD 浮点异常	fault	simd_coprocessor_error()	SIGFPE

Intel保留20-31未来使用。如上表所示，每个异常都有一个专门的处理函数处理，并给造成异常的进程发送一个信号。

3 中断描述符表

IDT表中，每一项对应一个中断或者异常，大小8个字节。因而，IDT需要256x8=2048个字节大小的存储空间。

IDT表包含三种类型的描述符，使用Type位域表示（40-43位）。下图分别解释了这三种描述符各个位的意义。

三种描述符分别为：

1. 任务门

   包含中断发生时要替换当前进程的新进程的TSS选择器。

2. 中断门

   包含段选择器和在段中的偏移量。设置了正确的段后，处理器清除IF标志，禁止可屏蔽中断。

3. 陷阱门

   同中断门类似，只是不会修改IF标志。

4 中断和异常的硬件处理

现在，我们来探究一下CPU控制单元是如何处理中断和异常的。我们假设内核已经完成初始化，CPU工作在保护模式下。

CPU控制单元，在取指令之前，检查控制单元在执行前一条指令的时候是否有中断或异常发生。如果发生中断，控制单元就会做如下处理：

1. 确定中断或异常的编号N；

2. 读取IDT表中的第N项；（在后面的描述中，假设包含的是中断门或陷阱门）

4. 确保中断合法性。

   首先比较cs寄存器中的CPL（当前特权等级）和包含在GDT中的段描述符的DPL（描述符特权等级），如果CPL小于DPL，产生 通用保护 异常，因为中断处理程序的特权等级不能比造成中断的程序的低。对于可编程异常，还会做进一步的安全检查：比较当前特权等级（CPL）和IDT表中包含的描述符的DPL，如果DPL小于CPL，则产生通用保护的异常。后一项检查，可以阻止用户应用程序访问特定的trap或中断门。

5. 检查特权等级是否发生变化。如果CPL与描述符中的DPL不同，控制单元应该使用新特权等级下的堆栈。

   其实对于Linux来说，只使用了supervisor和user两种特权等级。所以中断应该都是在supervisor特权等级下运行。

1. 读取tr寄存器，访问运行中的进程的TSS段；

2. 使用新特权等级对应的堆栈段和堆栈指针加载ss和esp寄存器；（这些值存储在TSS中）

3. 在新的堆栈中，保存旧任务的ss和esp寄存器值。（处理完中断或异常后，还要恢复到旧任务执行）

7. 保存eflags、cs和eip到堆栈中；

8. 如果异常携带异常错误码，将其保存在堆栈中；

9. 根据IDT表中的第N项内容，加载cs和eip寄存器。

至此，CPU控制单元跳转到中断或异常处理程序处开始执行。等到中断或异常处理完成后，把CPU的使用权让给之前被中断的进程，使用iret指令，该指令强迫控制单元执行下面步骤：

1. 加载被中断进程的cs，eip和eflags寄存器。（如果压栈过异常错误码，应该在执行iret指令之前弹出）

2. 检查CPL是否等于cs寄存器中的CPL，如果相等，则iret指令结束执行；否则，继续。

3. 加载旧特权等级的ss和esp寄存器值。

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