概念
中断是指 CPU 对系统发生某事件时, 暂停正在执行程序, 在保留现场后自动地转去执行该事件中断处理程序, 执行完后, 再返回到原程序断点处继续执行的一种响应
发生异常(exception)和中断(interrupt)事件后, 系统将进入 OS 内核态对相应事件进行处理
类别
graph LR;
X(事件)
X-->A(中断/外中断)
A-->A1(I/O中断)
A-->A2(时钟中断)
A-->A3(硬件故障)
X-->B(异常/内中断)
B-->B1(系统调用)
B-->B2(页故障/错误)
B-->B3(保护性异常)
B-->B4(断点指令)
外中断(中断)
graph TB;
subgraph S[中断]
A(硬件设备产生)--发送-->B(处理器)--通知-->C(操作系统/内核)
end
指中断, 是指由于外部设备事件所引起中断, 如磁盘中断、打印机中断等
中断是由于系统中某事件引起, 该事件与现行指令无关
可屏蔽中断
I/O设备发出所有中断请求(IRQ)都产生可屏蔽中断
通过 INTR(中断请求信号, 高电平有效)向 CPU 请求, 可通过设置屏蔽字来屏蔽请求
若中断请求被屏蔽, 则不会被送到CPU
非屏蔽中断
危急时机, 如硬件故障引起, 由CPU辨认, 通过 NMI (不可中断信号)向 CPU 请求
一旦产生, 就被立即送 CPU以便快速处理, 中断服务程序会尽快保存系统重要信息, 然后在屏幕上显示相应消息或直接重启系统
- 网卡中断
-
数据到达网卡
-
网卡产生一个中断给内核
-
内核使用I/O指令, 从网卡I/O区域中去读取数据
内中断(异常)
graph TB;
subgraph S[异常]
A(处理器)--通知-->B(操作系统/内核)
end
指异常, 是指由于CPU内部事件所引起中断, 如程序出错(非法指令、地址越界), 也被译为”捕获”或”陷入”
异常是由于执行了现行指令所引起, 由于系统调用所引起中断属于异常
- 故障
执行指令所引起异常, 如缺页、越权、越级、溢出、非法指令, 断点为故障发生地方
- 陷阱
预先安排事件, 如调试程序时断点, 单步跟踪, 系统调用, 是一种自愿中断, 断点为自陷指令下一条指令
- 终止
不可恢复错误, 如硬件故障事件, 此时机器会终止, 调出中断服务程序来终止程序甚至重启操作系统
异常类别
- 除零异常
当系统返现除零时, 会抛出异常, 若程序不处理这个异常, 那么操作系统将发出一个异步信号终止当前执行程序
对比
- 相同点
都是CPU对系统发生某个事情所做出一种反应, 最后都是由CPU发送给内核, 由内核去处理
- 区别
| 分类 | 中断 | 异常 |
|---|---|---|
| 产生地点 | 处理器外部, 由与运行程序无关中断信号触发 | 处理器内部, CPU控制单元产生 |
| 能否被屏蔽 | 高优先级中断可屏蔽低优先级中断 | 不可被屏蔽 |
| 处理程序能否被阻塞 | 不能被阻塞, 处理器休要即使响应中断信号 | 可以被阻塞 |
| CPU | 与CPU异步, 无论处理器处于什么状态都需处理外部中断请求 | 与CPU异步 |
| 能否嵌套 | 允许嵌套, 一般不超过三重 | 大多为一重 |
| 相互之间影响 | 中断过程不会产生异常 | 异常处理过程中可能产生中断 |
概念
- 中断向量
每个异常和中断由0~255间数标识, 称为中断向量(vector)
- 中断向量表
存放中断向量到中断执行程序地址映射
部分映射需在内核初始化开启中断前完成设置, 也能够后续执行过程中动态修改与添加映射
通过在指令操作数中提供中断向量号, INT n 指令可用于从软件中产生中断
例如, 指令 INT 0x80 会执行linux系统中断调用中断0x80. 向量0到255中任何一个都可以用作INT指令中断号
graph LR;
subgraph 中断向量表
A(0 ~ 19)
B(32 ~ 127)
C("128(0x80)")
D(129 ~ 238)
end
A1(不可屏蔽中断与异常)
A1-->A11(0 - 除零)
A1-->A12(1 - 单步调试)
A1-->A13(4 - 算术溢出)
A1-->A14(6 - 非法操作数)
A1-->A15(12 - 栈异常)
A1-->A16(13 - 保护性错误)
A1-->A17(14 - 缺页异常)
B1(外部中断IRQ)
C1(系统调用可编程异常)
D1(外部中断)
A --> A1
B --> B1
C --> C1
D --> D1
- 中断执行程序
中断向量对应所执行程序, 用于执行具体中断逻辑, 需用户自定义
- 中断执行流程
CPU在执行过程中, 触发中断, 而后CPU根据触发中断携带的中断向量, 从中断向量表中找出中断执行程序, 跳转执行中断执行程序, 执行完成再跳回中断前程序执行
处理流程
graph LR;
subgraph 用户空间
X(进程)
end
subgraph 内核空间
A(保存上下文)
subgraph 设备驱动程序
B(中断处理函数)
end
C(中断处理)
D(恢复上下文)
E(外部设备)
F(中断控制器)
G(CPU)
end
用户空间 --> A --> B --> C --> D --> 用户空间
设备驱动程序 --> E --> F --> G --中断-->用户空间
准备
- 保护现场
将各寄存器内容压入堆栈保存
- 判断中断
是否能够中断切换
- 开中断
允许高级版中断, 实现中断嵌套
执行
- 中断处理
跳转到中断处理代码处
中断控制器中有一个中断优先级判别器, 它自动判别出目前提出中断请求优先级中最高中断源, 并将其中断向量码送到数据总线, CPU接收中断向量码并据此找到其中断服务程序
收尾
- 关中断
保护恢复现场过程
- 恢复现场
将保存在堆栈中现场信息弹出到原来寄存器中
- 开中断
响应下一次中断
示例
键盘输入
那当用户输入了键盘字符, 键盘控制器就会产生扫描码数据, 并将其缓冲在键盘控制器寄存器中, 紧接着键盘控制器通过总线给 CPU 发送中断请求
CPU 收到中断请求后, 操作系统会保存被中断进程 CPU 上下文, 然后调用键盘中断处理程序
键盘中断处理程序是在键盘驱动程序初始化时注册, 键盘中断处理函数功能就是从键盘控制器寄存器缓冲区读取扫描码, 再根据扫描码找到用户在键盘输入字符
若输入字符是显示字符, 那就会把扫描码翻译成对应显示字符ASCII 码,
比如用户在键盘输入是字母 A, 是显示字符, 于是就会把扫描码翻译成 A 字符ASCII 码
得到了显示字符ASCII 码后, 就会把 ASCII 码放到「读缓冲区队列」, 显示设备驱动程序会定时从「读缓冲区队列」读取数据放到「写缓冲区队列
最后把「写缓冲区队列」数据一个一个写入到显示设备控制器寄存器中数据缓冲区, 最后将这些数据显示在屏幕里
显示出结果后, 恢复被中断进程上下文