Linux内核之中断概述

发布时间:2016-12-6 22:21:45 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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1、中断概述 1.1、为什么需要中断? 处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上,因此,如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求,然后专门等待回应的办法,显然差强人意。既然硬件的响应这么慢,那么内核就应该在此期间处理其他事务,等到硬件真正完成了请求的操作之后,再回过头来对它进行处理。想要实现这种功能,轮询(polling)可能会是一种解决办法。可以让内核定期对设备的状态进行查询,然后做出相应的处理。不过这种方法很可能会让内核做不少无用功,因为无论硬件设备是正在忙碌着完成任务还是已经大功告成,轮询总会周期性地重复执行。更好的办法是由我们来提供一种机制,让硬件在需要的时候再向内核发出信号(变内核主动为硬件主动)。这就是中断机制。 1.2、中断的表现形式 硬件设备生成中断的时候并不考虑与处理器的时钟同步—换句话说就是中断随时可以产生。因此,内核随时可能因为新到来的中断而被打断。   从物理学的角度看,中断是一种电信号,由硬件设备生成,并直接送入中断控制器的输入引脚上。然后再由中断控制器向处理器发送相应的信号。处理器一经检测到此信号,便中断自己的当前工作转而处理中断。此后,处理器会通知操作系统已经产生中断,这样,操作系统就可以对这个中断进行适当的处理了。   不同的设备对应的中断不同,而每个中断都通过一个惟一的数字标识。因此,来自键盘的中断就有别干来自硬盘的中断,从而使得操作系统能够对中断进行区分,并知道哪个硬件设备产生了哪个中断。这样,操作系统才能给不同的中断提供不同的中断处理程序。   这些中断值通常被为中断请求(IRQ)线。通常IRQ都是一些数值量。例如在PC上,IRQ0是时钟中断,而IRQ 1是键盘中断。但并非所有的中断号都是这样严格定义的。例如,对于连接在PCI总线上的设备而言,中断是动态分配的。而在嵌入式系统中,由于中断线有限,一般外设和中断都是一一匹配的,很少有动态分配中断的。不管怎样,重点在于特定的中断总是与特定的设备相关联,并且内核要知道这些信息。 1.3、异常 在操作系统中,讨论中断就不能不提及异常。广义的中断可分为同步(synchronous)中断和异步(asynchronous)中断: 同步中断:是当指令执行时由 CPU 控制单元产生,之所以称为同步,是因为只有在一条指令执行完毕后 CPU 才会发出中断,而不是发生在代码指令执行期间,比如系统调用。 异步中断:是指由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机产生,即意味着中断能够在指令之间发生,例如键盘中断。   一般由处理器本身产生的同步中断称为异常(exception),异步中断被称为中断(interrupt)。中断可分为可屏蔽中断(Maskable interrupt)和非屏蔽中断(Nomaskable interrupt)。异常可分为故障(fault)、陷阱(trap)、终止(abort)三类。 表格:中断类别及其行为 类别 原因 异步/同步 返回行为 中断 来自I/O设备的信号 异步 总是返回到下一条指令 陷阱 有意的异常 同步 总是返回到下一条指令 故障 潜在可恢复的错误 同步 返回到当前指令 终止 不可恢复的错误 同步 不会返回 在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令(例如被0除)的时候,或者是在执行期间出现特殊情况(例如缺页),必须靠内核来处理的时候,处理器就会产生一个异常。因为许多处理器体系结构处理异常与处理中断的方式类似,因此,内核对它们的处理也很类似。   通过软中断实现系统调用,那就是陷人内核,然后引起一种特殊的异常—系统调用处理程序异常。你将会看到,中断的工作方式与之类似,其差异只在于中断是由硬件而不是软件引起的。 1.4、中断处理程序 在响应一个特定中断的时候,内核会执行一个函数,该函数叫做中断处理程序(interrupt handler)或中断服务例程(interrupt service routine, ISR)。产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序。   在Linux中,中断处理程序看起来就是普普通通的C函数。只不过这些函数必须按照特定的类型声明,以便内核能够以标准的方式传递处理程序的信息。中断处理程序与其他内核函数的真正区别在于:中断处理程序是被内核调用来响应中断的,而它们运行于我们称之为中断上下文的特殊上下文中。   中断可能随时发生,因此中断处理程序也就随时可能执行。所以必须保证中断处理程序能够快速执行,这样才能保证尽可能快地恢复中断代码的执行。因此,尽管对硬件而言,迅速对其中断进行服务非常重要,但对系统的其他部分而言,让中断处理程序在尽可能短的时间内完成运行也同样重要。   即使是最精简版的中断服务程序,它也要与硬件进行交互,告诉该设备中断已被接收。我们可以考虑一下网络设备的中断处理程序面临的挑战。该处理程序除了要对硬件应答,还要把来自硬件的网络数据包拷贝到内存,对其进行处理后再交给合适的协议栈或应用程序。显而易见,这种工作量不会太小,尤其对于如今的千兆比特和万兆比特以太网卡而言。   因此我们一般把中断处理切为两个部分或两半。中断处理程序是上半部(top half)—接收到一个中断,它就立即开始执行,但只做有严格时限的工作,例如对接收的中断进行应答或复位硬件,这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成的。能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部(bottom half)去。此后,在合适的时机,下半部会被开中断执行。   以网卡作为实例,当网卡接收流入网络的数据包时,需要通知内核数据包到了。网卡需要立即完成这件事,从而优化网络的吞吐量和传输周期,以避免超时。因此,网卡立即发出中断:嘀,内核,我这里有最新数据包了。内核通过执行网卡已注册的中断处理程序来做出应答。   中断开始执行,应答硬件,拷贝最新的网络数据包到内存,然后读取网卡更多的数据包。这些都是重要、紧迫而又与硬件相关的工作。处理和操作数据包的其他工作在随后的下半部中进行。 转自:http://lpy999.blog.163.com/blog/static/11737206120121076362914/

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