Linux内核如何处理中断

中断是计算机处理数据的关键部分。

中断是现代 CPU 工作方式的重要组成部分。例如，每次按下键盘上的一个键，CPU 就会被中断，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，以至于您不会注意到用户体验有任何变化或损害。

此外，键盘并不是唯一可能导致中断的组件。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。在讨论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并执行中断服务程序（ISR）强>）。 ISR 是一个小程序，根据 IRQ 的原因处理某些数据。正常处理会被中断，直到 ISR 完成。

过去，IRQ 由单独的微芯片（PIC）处理，并且 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 IRQ 发生时，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，该控制器是 CPU 的一部分。每个内核都有自己的 APIC。

中断类型

正如我所提到的，根据中断源可以将中断分为三种类型：

硬件中断

当硬件设备想要告诉 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 IRQ 来向 CPU 发送数据可用的信号。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，必须同步音乐和视频播放，以便音乐的速度不会发生变化。这是通过精确定时器系统（称为 jiffies）重复触发的软件中断来完成的。该计时器使您的音乐播放器能够同步。软件中断也可以由特殊指令调用来读取或写入数据到硬件设备。

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 基金会的文章面向嵌入式开发人员的实时 Linux 简介中找到更多相关信息。

例外情况

异常是您可能了解的中断类型。当 CPU 执行的命令会导致被零除或页面错误时，任何其他执行都会被中断。在这种情况下，您将通过弹出窗口或在控制台输出中看到分段错误（核心转储）来通知您。但并非所有异常都是由错误指令引起的。

异常可以进一步分为故障、陷阱和中止。

故障：故障是系统可以纠正的异常，例如，当进程尝试从交换到硬盘驱动器的内存页面访问数据时。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，则继续执行。
陷阱：陷阱主要用于调试。如果在程序中设置断点，则会插入一条特殊指令，使其触发陷阱。陷阱可以触发上下文切换，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（例如终止进程）的默认方式。
中止：中止是由硬件故障或系统表中的值不一致引起的。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该异常的进程。

亲自动手

IRQ 按 APIC 上向量中的优先级排序（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 可以进行不同的分配。中断描述符表（IDT）包含 IRQ 和 ISR 之间的分配。 Linux 定义了一个从 0 到 256 的 IRQ 向量来进行分配。

要打印系统上已注册中断的列表，请打开控制台并键入：

cat /proc/interrupts

你应该看到这样的东西：

^{内核版本 5.6.6 中注册的中断。（斯蒂芬·阿文维德，CC BY-SA 4.0）}

从左到右，各列分别是：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导致 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)。其中一些中断在 Linux 内核源代码树的 Linux IRQ 向量布局中指定。

^{特定于架构的中断（Stephan Avenwedde，CC BY-SA 4.0）}

要获得该表的实时视图，请运行：

watch -n1 "cat /proc/interrupts"

结论

正确的 IRQ 处理对于硬件、驱动程序和软件的正确交互至关重要。幸运的是，Linux 内核做得非常好，普通 PC 用户几乎不会注意到内核的整个中断处理。

这可能会变得非常复杂，本文仅对该主题进行简要概述。 Linux Inside 电子书 (CC BY-NC-SA 4.0) 和 Linux 内核教学存储库是深入研究该主题的良好信息来源。