Linux-中斷的本質

　　更好的參考：CPU的内部的中斷

　　學習中斷是為了了解信号，因為信号即軟中斷。

　　中斷不是輪詢！比如最常見的在UART通信過程中（收發資料），有兩種方式，一種是中斷，一種是輪詢。如果中斷是輪詢，這兩者就沒差別了。但是中斷（内部中斷或者外部中斷）和作業系統的處理時序，系統的定時器，CPU的架構密切相關的，每個中斷（硬體中斷）都會對應到CPU硬體的一個PIN腳上。在硬體（CPU）各PIN腳初始化的時候對其進行設定(Enable/Disable，中斷優先級)。每個CPU都有自己的中斷向量表，每一個中斷向量對應的是一個位址（中斷處理程式）。當中斷發生時（突發事件，這裡隻說硬體中斷），對應PIN腳上會發生電平變化（高電平有效還是低電平有效），通知系統優先處理（你自己的中斷處理程式），跳到對應的中斷向量（位址）上去，從特定位址開始執行相應的中斷處理程式。

　　中斷發生時，比如外部中斷，會通過8259晶片給CPU 一個電信号， 并将中斷号放入到指定的寄存器， cpu 執行完目前指令之後會檢查是否有中斷發生，如果發現CPU中斷引腳出現高位電平，則擷取對于寄存器的中斷号， 并根據該中斷号查詢中斷向量表擷取中斷服務位址（中斷向量表的入口是體系結構定死的+0000 入口位址+中斷号 就可以擷取中斷服務入口位址），然後開始執行中斷服務程式。

一、什麼是CPU中斷？

　　使用計算機的過程中，經常會遇到這麼一種情景：

　　1. 你正在看電影

　　2. 你的朋友發來一條QQ資訊

　　3. 你一邊回複朋友的資訊，一邊繼續看電影

　　這個過程中，一切是那麼的順其自然。但理論上來說，播放電影的時候，CPU正在一絲不苟的執行着一條又一條的指令，它是如何在維持電影播放的情況下，及時接收并響應你的鍵盤輸入資訊呢？

　　這就是CPU中斷技術在起作用。

       CPU中斷技術的定義如下：

1. 計算機處于執行期間
2. 系統内發生了非尋常或非預期的急需處理事件
3. CPU暫時中斷目前正在執行的程式而轉去執行相應的事件處理程式
4. 處理完畢後傳回原來被中斷處繼續執行

　　在這裡，“非尋常或非預期的事件”指的就是你回複朋友的QQ時，用鍵盤鍵入資訊。為了及時響應你鍵入的資訊，CPU将正在執行的任務“播放電影”暫時中斷，處理完你鍵入的資訊後，繼續執行“播放電影”的任務。由于這個“中斷目前任務->響應鍵盤輸入->繼續目前任務”的執行周期非常短（一般都是微秒級），是以一般人感覺不出來。

　　舉個現實中的例子：

　　你正在看書，突然你的朋友打來電話，于是你放下書本去接電話，電話打完接着看書。

　　電話響->放下書本->接電話->繼續看書這一個過程，就類似于CPU中斷的處理過程。

二、CPU中斷的作用

　　早期的CPU處理外設的事件(比如接收鍵盤輸入)，往往采用“輪詢”的方式。即CPU像個查崗的一樣輪番對外設順序通路，比如它先看看鍵盤有沒被按下，有的話就處理，沒的話繼續往下看滑鼠有沒有移動，再看看列印機……這種方式使CPU的執行效率很低，且CPU與外設不能同時工作（因為要等待CPU來“巡查”）。

　　中斷模式時就是說CPU不主動通路這些裝置，隻管處理自己的任務。如果有裝置要與CPU聯系，或要CPU處理一些事情，它會給CPU發一個中斷請求信号。這時CPU就會放下正在進行的工作而去處理這個外設的請求。處理完中斷後，CPU傳回去繼續執行中斷以前的工作。

 　　中斷模式的作用和優點在于：

　　1. 可以使CPU和外設同時工作，使系統可以及時地響應外部事件。

　　2. 可允許多個外設同時工作，大大提高了CPU的使用率，也提高了資料輸入、輸出的速度。

　　3. 可以使CPU及時處理各種軟硬體故障（比如計算機在運作過程中，出現了難以預料的情況或一些故障，如電源掉電、存儲出錯、運算溢出等等。計算機可以利用中斷系統自行處理，而不必停機或報告從業人員。）

三、CPU中斷的類型

　　在計算機系統中，根據中斷源的不同，通常将中斷分為兩大類：

　　1. 硬體中斷

　　2. 軟體中斷

　　硬體中斷

　　硬體中斷又稱外部中斷，主要分為兩種：可屏蔽中斷、非屏蔽中斷。

　　可屏蔽中斷：

　　1. 常由計算機的外設或一些接口功能産生，如鍵盤、列印機、串行口等

　　2. 這種類型的中斷可以在CPU要處理其它緊急操作時，被軟體屏蔽或忽略

　　非屏蔽中斷：

　　1. 由意外事件導緻，如電源斷電、記憶體校驗錯誤等

　　2. 對于這種類型的中斷事件，無法通過軟體進行屏蔽，CPU必須無條件響應

　　在x86架構的處理器中，CPU的中斷控制器由兩根引腳(INTR和NMI)接收外部中斷請求信号。其中：

　　1. INTR接收可屏蔽中斷請求

　　2. NMI接收非屏蔽中斷請求

　　典型事例：

　　1. 典型的可屏蔽中斷的例子是列印機中斷，CPU對列印機中斷請求的響應可以快一些，也可以慢一些，因為讓列印機稍等待一會也是完全合理的。

　　2. 典型的非屏蔽中斷的例子是電源斷電，一旦出現此中斷請求，必須立即無條件地響應，否則進行其他任何工作都是沒有意義的。

　　軟體中斷

　　軟體中斷又稱内部中斷，是指在程式中調用INTR中斷指令引起的中斷。比如winAPI中，keybd_event和mouse_event兩個函數，就是用來模拟鍵盤和滑鼠的輸入（這個僅為筆者本人的猜測）。

四、CPU中斷的過程

　　中斷請求

　　中斷請求是由中斷源向CPU發出中斷請求信号。外部裝置發出中斷請求信号要具備以下兩個條件：

　　1. 外部裝置的工作已經告一段落。例如輸入裝置隻有在啟動後，将要輸入的資料送到接口電路的資料寄存器（即準備好要輸入的資料）之後，才可以向CPU發出中斷請求。

　　2. 系統允許該外設發出中斷請求。如果系統不允許該外設發出中斷請求，可以将這個外設的請求屏蔽。當這個外設中斷請求被屏蔽，雖然這個外設準備工作已經完成，也不能發出中斷請求。

　　中斷響應、處理和傳回

　　當滿足了中斷的條件後，CPU就會響應中斷，轉入中斷程式處理。具體的工作過程如下：

　　1. 關閉中斷信号接收器

　　2. 儲存現場(context)

　　3. 給出中斷入口，轉入相應的中斷服務程式

　　4. 處理完成，傳回并恢複現場(context)

　　5. 開啟中斷信号接收器

　　中斷排隊和中斷判優

　　1. 中斷申請是随機的，有時會出現多個中斷源同時提出中斷申請。

　　2. CPU每次隻能響應一個中斷源的請求。

　　3. CPU不可能對所有中斷請求一視同仁，它會根據各中斷源工作性質的輕重緩急，預先安排一個優先級順序。當多個中斷源同時申請中斷時，即按此優先級順序進行排隊，等候CPU處理。

　　了解了CPU中斷處理的過程，就不難了解下面一種常見的情景：

　　正在拷貝檔案時，往某個文本框輸入資訊，這個文本框會出現短暫的假死，鍵盤輸入的資料不能及時顯示在文本框中，需要等一會兒才能逐漸顯示出來。

　　這是因為該中斷操作(往文本框輸入資訊)在中斷隊列的優先級比較低，或者CPU認為正在處理的操作(拷貝檔案)進行挂起的代價太大，是以隻有等到CPU到了一個挂起代價較低的點，才會挂起目前操作，處理本次中斷資訊。

五、多核CPU對中斷的處理

　　多核CPU的中斷處理和單核有很大不同。多核的各處理器核心之間需要通過中斷方式進行通信，是以CPU晶片内部既有各處理器核心的本地中斷控制器，又有負責仲裁各核之間中斷配置設定的全局中斷控制器。

　　現今的多核處理器在中斷處理和中斷控制方面主要使用的是APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers），即進階程式設計中斷控制器。它是基于中斷控制器兩個基礎功能單元——本地單元以及I/O單元的分布式體系結構。在多核系統中，多個本地和I/O APIC單元能夠作為一個整體通過APIC總線互相操作。

　　APIC的功能有：

　　1. 接受來自處理器中斷引腳的内部或外部I/O APIC的中斷，然後将這些中斷發送給處理器核心進行處理

　　2. 在多核處理器系統中，接收和發送核内中斷消息

　　對于外部裝置發出的中斷請求，由全局中斷控制器接收請求并決定交給CPU的哪一個核心處理。也可針對APIC程式設計，讓所有的中斷都被一個固定的CPU處理。

 摘自：

　　https://www.zhihu.com/question/21440586?sort=created

　　http://www.cnblogs.com/funeral/archive/2013/03/06/2945485.html