中断

中断和异常

中断（interrupt）通常被定义为一个事件，该事件改变处理器执行的指令顺序。这样的事件与CPU芯片内外部硬件电路产生的电信号相对应。
中断通常分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：

• 同步中断是当指令执行时由CPU控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后CPU才会发出中断。
• 异步中断是由其他硬件设备依照CPU时钟信号随机产生的。

在Intel微处理器手册中，把同步和异步中断分别称为异常（exception）和中断（interrupt）。我们也采用这种分类，当然有时我们也用术语“中断信号”指这两种类型（同步及异步）。

中断是由间隔定时器和I/O设备产生的，例如，用户的一次按键会引起一个中断。另一方面，异常是由程序的错误产生的，或者是由内核必须处理的异常条件产生的。第一种情况下，内核通过发送一个每个Unix程序员都熟悉的信号来处理异常。第二种情况下，内核执行恢复异常需要的所有步骤，例如缺页，或对内核服务的一个请求（通过一条int或sysenter指令）。

中断和异常

• 中断：

  • 可屏蔽中断

    I/O设备发出的所有中断请求（IRQ)都产生可屏蔽中断。可屏蔽中断可以处于两种状态：屏蔽的（masked）或非屏蔽的（unmasked）：一个屏蔽的中断只要还是屏蔽的，控制单元就忽略它。

  • 非屏蔽中断

    只有几个危急事件（如硬件故障）才引起非屏蔽中断，非屏蔽中断总是由CPU辨认

• 异常

  • 处理器探测异常

    当CPU执行指令时探测到的一个反常条件所产生的异常。可以进一步分为三组，这取决于CPU控制单元产生异常时保存在内核态堆栈eip寄存器（在 x86 指令集中，EIP 寄存器存储着 CPU 将要执行的下一条指令的内存地址）中的值。

    • 故障

      通常可以纠正；一且纠正，程序就可以在不失连贯性的情况下重新开始。保存在eip中的值是引起故障的指令地址，因此，当异常处理程序终止时，那条指令会被重新执行。我们将在“缺页异常处理程序”一节中看到，只要处理程序能纠正引起异常的反常条件，重新执行同一指令就是必要的。

    • 陷阱

      在陷指令执行后立即报告：内核把控制权返回给程序后就可以继续它的执行而不失连贯性。保存在eip中的值是一个随后要执行的指令地址。只有当没有必要重新执行已终止的指令时，才触发陷阱。陷阱的主要用途是为了调试程序。在这种情况下，中断信号的作用是通知调试程序一条特殊指令已被执行（例如到了一个程序内的断点）。一旦用户检查到调试程序所提供的数据，她就可能要求被调试程序从下一条指令重新开始执行。

    • 异常终止

      发生一个严重的错误：控制单元出了问题，不能在eip寄存器中保存引起异常的指令所在的确切位置。异常中止用于报告严重的错误，如硬件故障或系统表中无效的值或不一致的值。由控制单元发送的这个中断信号是紧急信号，用来把控制权切换到相应的异常中止处理程序，这个异常中止处理程序除了强制受影响的进程终止外，没有别的选择。

    • 编程异常

      在编程者发出请求时发生。是由int或int3指令触发的：当into（检查溢出）和bound（检查地址出界）指令检查的条件不为真时，也引起编程异常。控制单元把编程异常作为陷来处理。编程异常通常也叫做软中断（software interrupt）。这样的异常有两种常用的用途：执行系统调用及给调试程序通报一个特定的事件。

每个中断和异常是由0~255之间的一个数来标识。因为一些未知的原因，Intel把这个8位的无符号整数叫做一个向量（vector）。非屏蔽中断的向量和异常的向量是固定的，而可屏蔽中断的向量可以通过对中断控制器的编程来改变。

IRQ和中断

​ 每个能够发出中断请求的硬件设备控制器都有一条名为IRQ（Interrupt ReQuest）的输出线（复杂一些的设备有几条IRQ线，例知，PCI卡可能使用多达4条IRQ线）。所有现有的IRQ线（IRQ line）都与一个名为可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC)的硬件电路的输入引脚相连，可编程中断控制器执行下列动作：

 1. 监视IRQ线，检查产生的信号（raised signal）。如果有条或两条以上的IRQ线上产生信号，就选择引脚编号较小的IRQ线
 2. 如果一个引发信号出现在IRQ线上：
  - 把接收到的引发信号转换成对应的向量
  - 把这个向量存放在中断控制器的一个I/O端口，从而允许CPU通过数据总线读取此向量
  - 把引发信号发送到处理器的INTR引脚，即产生一个中断
  - 等待，直到CPU通过把这个中断信号写进可编程中断控制器的一个I/O端口来确认他；当这种情况发生时，清INTR线
 3. 返回到第一步

​ IRQ线是从0开始顺序编号的，因此，第一条IRQ线通常表示成IRQ0。与IRQn关联的Intel的缺省向量是n+32。如前所述，通过向中断控制器端口发布合适的指令，就可以修改IRQ和向量之间的映射。

​ 可以有选择地禁止每条IRQ线。因此，可以对PIC编程从而禁止IRQ，也就是说，可以告诉PIC停止对给定的IRQ线发布中断，或者激活它们。禁止的中断是丢失不了的，它们一旦被激活，PIC就又把它们发送到CPU。这个特点被大多数中断处理程序使用，因为这允许中断处理程序逐次地处理同一类型的IRQ

中断描述符表

​ 中断描述符表（Interrupt Descriptor Table.IDT）是一个系统表，它与每一个中断或异常向量（异常向量是一组预定义的内存地址，用于存储处理器在发生异常时应该跳转到的位置）相联系，每一个向量在表中有相应的中断或异常处理程序的入口地址。内核在允许中断发生前，必须适当地初始化IDT.

​ IDT包含三种类型的描述符：

​ 任务门：当中断信号发生时，必须取代当前进程的那个进程的TSS选择符存放在任务门中。

​ 中断门：包含段选择符和中断或异常处理程序的段内偏移量。当控制权转移到一个适当的段时，处理器清IF标志，从而关闭将来会发生的可屏蔽中断。

​ 陷阱门：与中断门相似，只是控制权传递到一个适当的段时处理器不修改IF标志。

​ Linux利用中断门处理中断，利用陷阱门处理异常