Linux 内核如何处理中断

中断是计算机处理数据的关键部分。

How Linux got to be Linux: Test driving 1993-2003 distros

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互联网档案馆图书图片。由 Opensource.com 修改。CC BY-SA 4.0

中断是现代 CPU 工作方式的重要组成部分。例如，每次您按下键盘上的一个键时，CPU 都会被中断，以便 PC 可以从键盘读取用户输入。这一切发生得非常快，您不会注意到用户体验有任何变化或损害。

此外，键盘不是唯一可以引起中断的组件。一般来说，有三种类型的事件可以导致 CPU 中断：硬件中断、软件中断和异常。在深入了解不同类型的中断之前，我将定义一些术语。

定义

中断请求（IRQ）由可编程中断控制器（PIC）请求，目的是中断 CPU 并执行中断服务例程（ISR）。ISR 是一个小型程序，它根据 IRQ 的原因处理特定数据。正常处理会中断，直到 ISR 完成。

过去，IRQ 由一个单独的微芯片（PIC）处理，I/O 设备直接连接到 PIC。PIC 管理各种硬件 IRQ，并可以直接与 CPU 通信。当发生 IRQ 时，PIC 将数据写入 CPU 并拉高中断请求（INTR）引脚。

如今，IRQ 由高级可编程中断控制器（APIC）处理，它是 CPU 的一部分。每个核心都有自己的 APIC。

中断类型

正如我所提到的，中断可以根据其来源分为三种类型

硬件中断

当硬件设备想告诉 CPU 某些数据已准备好处理时（例如，键盘输入或数据包到达网络接口时），它会发送一个 IRQ 信号给 CPU，表明数据可用。这会调用设备驱动程序在内核启动期间注册的特定 ISR。

软件中断

当您播放视频时，同步音乐和视频播放至关重要，以使音乐的速度不会发生变化。这通过一个软件中断来实现，该中断由精确的计时器系统（称为 jiffies）重复触发。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调用，以读取或写入硬件设备的数据。

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 基金会的文章 嵌入式开发人员实时 Linux 简介 中找到更多相关信息。

异常

异常是您可能了解的中断类型。当 CPU 执行会导致除以零或页面错误的命令时，任何后续执行都会中断。在这种情况下，您将通过弹出窗口或在控制台输出中看到 segmentation fault (core dumped) 来获知。但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、陷阱和中止。

故障： 故障是一种系统可以纠正的异常，例如，当进程尝试访问从硬盘驱动器交换出来的内存页中的数据时。请求的地址在进程地址空间内，并且访问权限是正确的。如果该页不在 RAM 中，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加载到 RAM 中。如果操作成功，执行将继续。
陷阱： 陷阱主要用于调试。如果在程序中设置断点，则会插入一个特殊指令，导致其触发陷阱。陷阱可以触发上下文切换，使您的调试器能够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（如杀死进程）的默认方式。
中止： 中止是由硬件故障或系统表中的不一致值引起的。中止不会报告导致异常的指令的位置。这些是最关键的中断。中止会调用系统的 中止异常处理程序，该处理程序会终止导致中止的进程。

动手实践

IRQ 按优先级在 APIC 上的向量中排序（0=最高优先级）。前 32 个中断（0-31）具有由 CPU 指定的固定序列。您可以在 OsDev 的 Exceptions 页面上找到它们的概述。后续的 IRQ 可以以不同的方式分配。中断描述符表（IDT）包含 IRQ 和 ISR 之间的分配。Linux 为分配定义了一个从 0 到 256 的 IRQ 向量。

要在您的系统上打印已注册中断的列表，请打开控制台并键入