Linux內(nèi)核處理中斷的類型及過程

中斷是計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分。

中斷是現(xiàn)代 CPU 工作方式中重要的部分。例如：當(dāng)你每次在鍵盤上按下一個(gè)按鍵后，CPU 會(huì)被中斷以使得 PC 讀取用戶鍵盤的輸入。這個(gè)過程發(fā)生得相當(dāng)快，以致于在使用體驗(yàn)上你不會(huì)感到任何變化或損害。

此外，鍵盤并不是導(dǎo)致中斷的唯一組件。一般來說，有三種類型的事件會(huì)導(dǎo)致 CPU 發(fā)生中斷：硬件中斷、軟件中斷和異常。在具體介紹不同類型的中斷前，我需要先定義一些術(shù)語。

定義

中斷請(qǐng)求interrupt request（IRQ）是由可編程的中斷控制器programmable interrupt controlle（PIC）發(fā)起的，其目的是為了中斷 CPU 和執(zhí)行中斷服務(wù)程序interrupt service routine（ISR）。中斷服務(wù)程序（ISR）是一個(gè)小的程序，用來處理具體的數(shù)據(jù)，其具體的處理方式依賴于造成中斷請(qǐng)求（IRQ）的原因。之前正在運(yùn)行的進(jìn)程在中斷服務(wù)程序（ISR）運(yùn)行結(jié)束前都會(huì)被中斷。

在過去，中斷請(qǐng)求由單獨(dú)的芯片處理（中斷控制器芯片 PIC），I/O 設(shè)備直接與中斷控制器（PIC）相連。中斷控制器（PIC）管理著多種硬件的中斷請(qǐng)求（IRQ），并且可以直接與 CPU 通信。當(dāng)一個(gè)中斷請(qǐng)求（IRQ）產(chǎn)生后，中斷控制器（PIC）向 CPU 寫入數(shù)據(jù)，并且觸發(fā)中斷請(qǐng)求引腳（INTR）。

現(xiàn)如今，中斷請(qǐng)求（IRQ）由 CPU 中的高級(jí)可編程中斷控制器advanced programmable interrupt controller（APIC）部分來處理。每個(gè)核中都擁有屬于自己的高級(jí)可編程中斷控制器。

中斷的類型

正如我前文中提到的，中斷可以根據(jù)其來源分為三種類型。

硬件中斷

當(dāng)一個(gè)硬件設(shè)備想要告訴 CPU 某一需要處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好后（例如：當(dāng)鍵盤被按下或者一個(gè)數(shù)據(jù)包到了網(wǎng)絡(luò)接口處），它將會(huì)發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求（IRQ）來告訴 CPU 數(shù)據(jù)是可用的。接下來會(huì)調(diào)用在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)的對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序（ISR）。

軟件中斷

當(dāng)你在播放一個(gè)視頻時(shí)，音頻和視頻是同步播放是相當(dāng)重要的，這樣音樂的速度才不會(huì)變化。這是由軟件中斷實(shí)現(xiàn)的，由精確的計(jì)時(shí)器系統(tǒng)（稱為 jiffies）重復(fù)發(fā)起的。這個(gè)計(jì)時(shí)器會(huì)使得你的音樂播放器同步。軟件中斷也可以被特殊的指令所調(diào)用，來讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)到硬件設(shè)備。

當(dāng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)性時(shí)（例如在工業(yè)應(yīng)用中），軟件中斷會(huì)變得重要。你可以在 Linux 基金會(huì)的文章中找到更多相關(guān)信息：面向嵌入式開發(fā)者的實(shí)時(shí) Linux 介紹。

異常

異常exception是你可能之前就知道的中斷類型。當(dāng) CPU 執(zhí)行一些將會(huì)導(dǎo)致除零或缺頁錯(cuò)誤的指令時(shí)，任何其他運(yùn)行中的程序都會(huì)被中斷。在這種情況下，你會(huì)被一個(gè)彈窗提醒，或在控制臺(tái)輸出中看到**段錯(cuò)誤segmentation fault（核心已轉(zhuǎn)儲(chǔ)core dumped）**。但并不是所有異常都是由指令錯(cuò)誤引起的。

異常可以進(jìn)一步分為錯(cuò)誤Fault、陷阱Trap和終止Abort。

錯(cuò)誤：錯(cuò)誤是系統(tǒng)可以糾正的異常。例如當(dāng)一個(gè)進(jìn)程嘗試訪問某個(gè)已經(jīng)被換出到硬盤的頁時(shí)。當(dāng)請(qǐng)求的地址在進(jìn)程的地址空間中，并且滿足訪問權(quán)限時(shí)，如果頁不在內(nèi)存（RAM）中，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求（IRQ），并開始啟用缺頁異常處理程序把所需的頁加載到內(nèi)存中。如果操作成功執(zhí)行，程序?qū)⒗^續(xù)運(yùn)行。

陷阱：陷阱主要用在調(diào)試中。如果你在某個(gè)程序中設(shè)置了一個(gè)斷點(diǎn)，你就插入了一條可以觸發(fā)陷阱執(zhí)行的特殊指令。陷阱可以觸發(fā)上下文切換來允許你的調(diào)試器讀取和展示局部變量的值。之后程序可以繼續(xù)運(yùn)行。陷阱同樣也是運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)用的方式（如殺死一個(gè)進(jìn)程）

終止：終止是由系統(tǒng)表中的硬件錯(cuò)誤或值不一致而導(dǎo)致的。終止不會(huì)報(bào)告造成異常的指令的所在位置。這是最嚴(yán)重的中斷，終止將會(huì)調(diào)用系統(tǒng)的終止異常處理程序來結(jié)束造成異常的進(jìn)程。

動(dòng)手實(shí)踐

中斷請(qǐng)求按照高級(jí)可編程中斷控制器（APIC）中的優(yōu)先級(jí)高低排序（0是最高優(yōu)先級(jí)）。前 32 個(gè)中斷（0~31）是由 CPU 指定的固定序列。你可以在 OsDev 異常 頁面找到關(guān)于它們的概述。隨后的中斷請(qǐng)求可以以不同的方式進(jìn)行分配。中斷描述表interrupt descriptor table（IDT）中記錄了中斷請(qǐng)求（IRQ）和中斷服務(wù)程序（ISR）的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Linux 中定義了從 0 到 256 的 IRQ 向量。

為了打印出在你的系統(tǒng)中已注冊(cè)的中斷，打開一個(gè)終端并輸入：

cat /proc/interrupts

你應(yīng)該會(huì)看到類似如下圖的結(jié)果：

內(nèi)核版本為5.6.6中注冊(cè)的中斷 （Stephan Avenwedde， CC BY-SA 4.0）

從左到右各列的含義依次為：中斷向量號(hào)、每個(gè) CPU（0~n）中斷發(fā)生次數(shù)、硬件來源、硬件源通道信息、以及造成中斷請(qǐng)求的設(shè)備名。

在表的末尾，有一些非數(shù)字的中斷。它們是特定于體系結(jié)構(gòu)的中斷，如本地計(jì)時(shí)器中斷l(xiāng)ocal timer interrupt（LOC）的中斷請(qǐng)求（IRQ）號(hào)為 236。其中一些在 Linux 內(nèi)核源樹中的Linux IRQ 向量布局中指定。

特定于體系結(jié)構(gòu)的中斷 （Stephan Avenwedde， CC BY-SA 4.0）

如果要實(shí)時(shí)獲取該表，請(qǐng)運(yùn)行如下命令：

watch -n1 “cat /proc/interrupts”

總結(jié)

正確的中斷請(qǐng)求（IRQ）處理對(duì)于硬件、驅(qū)動(dòng)和軟件的正常交互是必要的。幸運(yùn)地是，Linux 內(nèi)核很好地完成了它，一個(gè) PC 的普通用戶幾乎不會(huì)注意到內(nèi)核的整個(gè)中斷處理過程。

中斷相當(dāng)復(fù)雜，本文僅僅是一個(gè)關(guān)于中斷的概述。如果想要深入了解該主題可以閱讀 Linux Inside 電子書（CC BY-NC-SA 4.0）和 Linux 內(nèi)核教程 倉庫。
責(zé)編AJX