Linux kernel如何处理中断?

中断是计算机处理数据的一个关键部分。

中断是现代CPU工作方式的一个重要组成部分。例如，每次您按键盘上的一个键时，CPU都会被中断，以便PC可以从键盘读取用户输入。这种情况发生得如此之快，以至于您从用户体验方面不会注意到任何的变化或损害。

而且，键盘不是唯一会触发中断的组件。通常，有三种类型的事件可以触发CPU中断：硬件中断，软件中断和异常。在介绍不同类型的中断之前，我首先将定义一些术语。

定义

中断请求（IRQ）由可编程中断控制器（PIC）发起，目的是中断CPU以便执行中断服务程序（ISR）。通常，中断服务程序 ISR是一段小程序，依据触发该IRQ的原因它会处理某些数据。所以，一般来说，当发生中断时，CPU正常处理流程被中断，转去处理ISR，直到它完成。

过去，IRQ是由单独的微控制器芯片PIC处理的，而所有I / O设备的中断直接连接到PIC，由PIC汇总并管理各种设备的IRQ，之后再由PIC直接与CPU通信。当某个设备发起IRQ时，PIC首先接受到该请求，接着它可经由中断请求引脚（INTR）把该中断请求IRQ发给CPU。

如今，IRQ由高级可编程中断控制器（APIC）处理，该控制器是处理器的一部分。每个处理器内核都有自己的一个APIC。

中断类型

如前所述，根据其来源不同，中断可以分为三种类型：

硬件中断

当硬件设备准备好某些数据需要CPU来处理时（例如键盘输入或数据包到达网络接口时），它会发送IRQ来通知CPU该数据可用。CPU接收到该IRQ后， 将中断当前执行的处理，调用在内核启动期间由设备驱动程序注册好的特定的中断服务程序ISR。

软件中断

播放视频时，同步音乐和视频播放非常重要，这样音乐的速度不会改变。这是通过一个软件中断来完成的，该软件中断由一个精确的计时器系统（称为jiffies）反复触发。此计时器使您的音乐播放器能够同步。软件中断也可以通过特殊指令来触发，以从硬件设备读取数据，或将数据写入硬件设备。

当需要实时功能时（例如在工业应用中），软件中断也至关重要。您可以在Linux Foundation的文章“Intro to real-time Linux for embedded developers”中找到有关此问题的更多信息。

异常

您可能已经知道异常是一种中断类型。当CPU执行一条将导致被零除或页面错误的命令时，任何其他执行都会中断。在这种情况下，将通过弹出窗口或在控制台输出中看到段异常（core dumped）来通知您。但是，并非每个异常都是由错误的指令引起的。

异常可以进一步分为故障Fault，陷阱Trap和挂止Abort。

故障Fault：故障是系统可以纠正的异常，例如，当某个进程试图访问已交换到硬盘驱动器的内存页面中的数据时，故障就会被纠正。请求的地址在进程地址空间内，并且访问权限正确。如果RAM中不存在该页面，则会引发IRQ，并启动页面错误异常处理程序以将所需的内存页面加载到RAM中。如果操作成功，将继续执行。

陷阱Trap：陷阱主要用于调试。如果在程序中设置断点，则会插入一条特殊指令，使该指令触发陷阱。陷阱可以触发上下文切换，从而允许调试器读取和显示局部变量的值。之后可以继续执行。陷阱也是执行系统调用的默认方式（例如终止进程）。

挂止Abort：挂止是由硬件故障或系统表中的值不一致引起的。挂止不报告导致异常的指令的位置。这些是最关键的中断。挂止调用系统的中止异常处理程序，该处理程序终止导致它的进程。

动手实践

在APIC上的向量表中，IRQ按优先级排序（0 =最高优先级）。前32个中断（0-31）具有由CPU指定的固定顺序。您可以在OsDev的“异常”页面上找到它们的概述。后续的IRQ可以根据需要分配。中断描述符表（IDT）包含IRQ和ISR之间的映射关系。 Linux为从0到256的映射定义了一个IRQ向量表。

要在系统上打印已注册中断的列表，请打开控制台并键入：

cat / proc / interrupts

您应该会看到以下内容：

从左到右，这些列是：IRQ向量，每个CPU的中断计数（0 .. n），硬件源，硬件源的通道信息以及引起IRQ的设备名称。

在表格的底部，有一些非数字中断。它们是特定于体系结构的中断，例如IRQ 236上的本地计时器中断（LOC）。其中一些是在Linux内核源树的Linux IRQ矢量布局中指定的。

与架构相关的中断（Stephan Avenwedde）

要获得此表的实时视图，请运行：

watch -n1 “ cat / proc / interrupts”

结论

正确的IRQ中断处理对于硬件，驱动程序和软件之间的正确交互至关重要。幸运的是，Linux内核确实做得很好，普通的PC用户几乎不会注意到有关kernel整个IRQ中断处理的任何信息。

这可能变得非常复杂，并且本文仅对该主题进行了简要概述。 Linux Inside eBook（CC BY-NC-SA 4.0）和Linux Kernel Teaching库是深入研究该主题的良好信息资源。

原文链接：How the Linux kernel handles interrupts

如果感觉到本文对您有所助益，您可以请我喝一杯咖啡。