中断实现的基本原理

Posted 2021-03-05 feng9exe

前言：

中断是计算机发展中一个重要的技术，它的出现很大程度上解放了CPU，提高了CPU的执行效率。

在中断出现之前，CPU对IO采用的是轮询的方式进行服务，这使的CPU纠结在某一个IO上，一直在等待它的响应，如果它不响应，CPU就在原地一直的等下去。这样就导致了其他IO口也在等待CPU的服务，如果某个IO出现了important or emergency affairs，CPU也抽不出身去响应这个IO。

为了解决这个纠结的问题就------>出现了中断

中断控制的主要优点是只有在IO接口需要服务时才去响应它，使得CPU很淡定的做它自己的事情，只有IO口有需求的时候才去响应它。同时中断中也设计了中断优先级，来处理一些很紧急的事件。

一.中断的基本知识

1.中断的概念：

所谓中断，是指CPU在正常运行程序时，由于程序的预先安排或内外部事件，引起CPU中断正在运行的程序，而转到发生中断事件程序中。这些引起程序中断的事件称为中断源。

其实从 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，而每个中断都通过一个唯一的数字标识，这些值通常被称为中断请求线。

2.那么 当产生一个中断时，CPU是如何识别的呢？

在Intel X86中可以支持256中向量中断，为了使处理器能使别每种中断源，给它们进行了编号----->叫做中断向量

3.这些中断向量在Linux中是如何分配的：

编号0～31的向量对应于异常和非屏蔽中断

编号32～47的向量（即由IO设备引起的中断）分配给屏蔽中断。

编号48～255的向量用来标示软中断。Linux用其中的128或0x80来实现系统调用

非屏蔽中断的向量和异常的向量是固定的。 

4.异常和中断的区别：

1>异常：是指CPU内部出现的中断，即在CPU执行特定指令时出现的非法情况。同时异常也称为同步中断，因此只有在一条指令执行后才会发出中断 ，不可能在指令执行期间发生异常。

a.产生的原因：

程序的错误产生的（eg:除数为0）

内核必须处理的异常条件产生的(eg:缺页）

b.异常又分为故障和陷阱，它们都不使用中断控制器，也不能被屏蔽

C.X86处理处理器中大约有20中异常。Linux内核必须为每种异常提供一个专门的异常处理程序。

2>中断:也称为异步中断。因此它是由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机产生，即意味着中断能在指令之间发生。

a.中断又分为外部可屏蔽中断(INTR)和外部非屏蔽中断（NMI）

所用I0设备产生的中断请求均引起可屏蔽中断

硬件故障引起的故障则产生非屏蔽中断。

John说明：

在CPU执行一个异常处理程序时，就不再响应其他异常和中断请求服务.那么如果此时发生了一个异常，CPU不能去响应它，又不能把它的信息丢失该怎么办呢？

这是就用到了堆栈，把所有的信息压入栈。等当前异常处理后，才从堆栈中取出信息再响应刚才的异常。(当产生多个非屏蔽中断时，CPU的处理方法同上）

二APIC和8259A 

中断的实现也需要硬件上的支持的，那么硬件上是如何支持中断的？

1.在X86计算机的 CPU 为中断只提供了两条外接引脚：NMI 和 INTR。

NMI 是不可屏蔽中断，它通常用于电源掉电和物理存储器奇偶校验；

INTR是可屏蔽中断，可以通过设置中断屏蔽位来进行中断屏蔽，它主要用于接受外部硬件的中断信号，这些信号由中断控制器传递给 CPU。

2.中断控制器

目前常见的中断控制器有可编程中断控制器8259A和高级可编程中断控制器（APIC）

1> 8259A

PIC（Programmable Interrupt Controller）是由两片 8259A 的外部芯片以“级联”的方式连接在一起。每个芯片可处理多达 8 个不同的 IRQ。因为从 PIC 的 INT 输出线连接到主 PIC 的 IRQ2 引脚，所以可用 IRQ 线的个数达到 15 个。

我们来看一个图：(进行看图说明）

a.第一级8259A是主中断控制器，它的第二个中断请求输入端与第二级8259A的中断输出端INT相连。

b.与中断控制器相连的每条线叫做中断线 。要使用中断线，就要进行中断线的申请，即IRQ。

那么这条线的名字是啥勒－－－－》中断号。

IRQ线是从０开始顺序编号的，所以第一条IRQ线就是IRQ0。 

Ｃ.那么该中断号于我们上面所说的中断向量有什么关系呢

中断向量＝中断号＋32。

从此等式可以看出，第一个中断线（IR0）所对应的中中断向量是32.

由此可以得出：

（1）异常和非屏蔽向量是CPU 内部引起的中断

（2）向量32-47对应的是外部中断。

d.并不是每个设备都可以向中断线上发中断信号，只有对某一条确定的中断线拥有了控制权后，才可以向这条中断线上发送信号。

e. 8259A中还有一个很重要的寄存器－>８位的中断屏蔽寄存器 －>这个寄存器的作用是屏蔽中断。

８位的中断屏蔽寄存每一位对应8259A中的一条中断线，如果要禁用某条中断线，则把中断屏蔽寄存器的相应位置１，要启用则置０。

 

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