CPU中断

   CPU共256个中断类型型号：

   0~31：对应于异常和非屏蔽中断，不使用中断控制器；
   32~47：分配给可屏蔽中断，由I/O设备引起的中断，这其中就包含可由两个8259A级联响应的15个；
   48~255：用来标识软中断；

CPU中断的机制概论

   cpu的数学模型是图灵机，图灵机是一个线性运行指令的机器，它的执行序列是完全确定的，中断机制是使得cpu具有异步处理能力的机制，就是先暂停他的序列  来执行一些其他指令。具体来说就是，从硬件实现上，其他硬件可以给cpu发电信号，cpu收到这个信号就暂停当前的指令，去执行中断函数。cpu上不是有许多针吗，其中一个就是用来收中断信号的。再具体来说，内核启动的时候会配置一个中断向量表，一个硬件关联一个整数，也就是数组下标，比如，键盘关联5，键盘给cpu发中断，cpu就会收到5号中断，就会去执行函数指针数组中的第五个函数。

   在单cpu单核时代，为什么能实现多线程在微观上切换，宏观上并行呢，cpu是一条单行线，我的进程正在执行，它是怎么切换到其他进程执行的呢？这是因为主板或者cpu内部有一个硬件叫timer定时器，关联32号中断，它每秒发送一百次中断，cpu就去执行32号中断函数，然后选择一个进程去执行。

硬中断：

1. 硬中断是由硬件产生的，比如，像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求）。基于IRQ，CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上（注：硬件驱动通常是内核中的一个子程序，而不是一个独立的进程）。

2. 处理中断的驱动是需要运行在CPU上的，因此，当中断产生的时候，CPU会中断当前正在运行的任务，来处理中断。在有多核心的系统上，一个中断通常只能中断一颗CPU（也有一种特殊的情况，就是在大型主机上是有硬件通道的，它可以在没有主CPU的支持下，可以同时处理多个中断。）。CPU需要判断中断源，保存现场状态，以便能够处理完后继续执行中断的任务!

3. 硬中断可以直接中断CPU。它会引起内核中相关的代码被触发。对于那些需要花费一些时间去处理的进程，中断代码本身也可以被其他的硬中断中断。

4. 对于时钟中断，内核调度代码会将当前正在运行的进程挂起，从而让其他的进程来运行。它的存在是为了让调度代码（或称为调度器）可以调度多任务。

软中断：(int指令​)​​​​​​CPU在执行到INT指令时，通过中断描述符表找到中断号对应的中断服务子程序的地址

1. 软中断的处理非常像硬中断。然而，它们仅仅是由当前正在运行的进程所产生的。

2. 通常，软中断是一些对I/O的请求。这些请求会调用内核中可以调度I/O发生的程序。对于某些设备，I/O请求需要被立即处理，而磁盘I/O请求通常可以排队并且可以稍后处理。根据I/O模型的不同，进程或许会被挂起直到I/O完成，此时内核调度器就会选择另一个进程去运行。I/O可以在进程之间产生并且调度过程通常和磁盘I/O的方式是相同。

3. 软中断仅与内核相联系。而内核主要负责对需要运行的任何其他的进程进行调度。一些内核允许设备驱动的一些部分存在于用户空间，并且当需要的时候内核也会调度这个进程去运行。

4. 软中断并不会直接中断CPU。也只有当前正在运行的代码（或进程）才会产生软中断。这种中断是一种需要内核为正在运行的进程去做一些事情（通常为I/O）的请求。有一个特殊的软中断是Yield调用，它的作用是请求内核调度器去查看是否有一些其他的进程可以运行。

总结：（保护模式下）

      中断向量--》IDT--》门描述符--》段选择子--》GDT/LDT--》段描述符--》段基地址

      中断向量：是指CPU拿到向量号(从外部、int指令中或者前32[0~1F]个默认CPU内部向量号)

      IDT:中断向量表！CPU用向量号读取IDT中对应序号的条目，读取出来的是一个门描述符。

 

• 中断号：这里所说的中断号是指外部中断即硬件中断的编号，系统为每个“中断请求线”分配了一个号，x86采用了两个8259A，一共有15个中断号，但是随着外设的增加，这些肯定不能满足需求，所以就有了多个外设共享一个中断号。中断号是用来表明是那个设备产生了中断，比如作为时钟中断的IRQ0。这样CPU就可以知道是那个设备产生了中断从而去处理它。
• 中断向量：Inter x86共支持256个向量中断，为了很容易的识别每种中断源将它们从0到255进行编号，Inter将这个整数叫做中断向量，Linux对这256个中断向量的分配如下：

       0～31:异常和非屏蔽中断

      32～47:为可屏蔽中断（硬件中断）

      48～255:用来表示软中断，其中Linux只用一个（即128或0x80向量）作为系统调用。

      前面所述的中断号与中断向量之间的关系是:中断号＋32 ＝ 中断向量。

PC上可屏蔽中断 8259A

PC机用户可使用的硬件中断只有可屏蔽中断，由8259中断控制器管理。中断控制器用于接收外部的中断请求信号，经过优先级判别等处理后向CPU发出可屏蔽中断请求。IBMPC、PC/XT机内有一片8259中断控制器对外可以提供8个中断源：

•   中断源     中断类型号    中断功能

•   IRQ0          08H        时钟

•   IRQ1          09H        键盘

•   IRQ2          0AH        保留

•   IRQ3          OBH        串行口2

•   IRQ4          0CH        串行口1

•   IRQ5          0DH        硬盘

•   IRQ6          0EH        软盘

•   IRQ7          0FH        并行打印机

8个中断源的中断请求信号线IRQ0～IRQ7在主机的62线ISA总线插座中可以引出，系统已设定中断请求信号为“边沿触发”，普通结束方式。对于PC/AT及286以上微机内又扩展了一片8259中断控制，IRQ2用于两片8259之间级联，对外可以提供16个中断源：

•   中断源     中断类型号   中断功能

•   IRQ8          070H       实时时钟

•   IRQ9          071H       用户中断

•   IRQ10         072H       保留

•   IRQ11         O73H       保留

•   IRQ12         074H       保留

•   IRQ13         075H       协处理器

•   IRQ14         076H       硬盘

•   IRQ15         077H       保留

 

 

1 中断机制的产生

  早期计算机各个程序只能串行执行、系统资源利用低。为了解决上述问题，人们就发明了操作系统，引入了中断机制，实现了多道程序的并发执行，提高了系统资源的利用率。
  中断是多程序并发执行的前提条件。

  (1) 以两个进程并发运行为例，进程1在用户态运行了一段时间后，CPU会接收到计时部件（操作系统内核的时钟管理部件）发出的中断信号，表示进程1已经用完了一个时间片，CPU会切换到核心态，把CPU的使用权限交还给操作系统，操作系统内核就会对刚才的中断进行处理，操作系统知道进程1的时间片用完，就需要切换进程，在完成切换进程的一系列工作后，操作系统又会将CPU的使用权交还给用户进程。
  (2) 接着进程2拿到CPU执行权就会在用户态下执行，进程2执行一段时间后，进程2发出系统调用（内中断信号），请求输出，主动要求操作系统介入工作，CPU会立即切换到核心态，把CPU的使用权限交还给操作系统，操作系统内核接管进程2系统调用请求，调用IO设备开始输出工作，然后操作系统交还CPU执行权，IO设备也会并行执行，进程2需要等待IO操作完成，所以进程1拿到CPU执行权开始运行。当执行一段时间后，IO操作完成，IO设备向CPU发送一个中断信号，此时CPU由用户态再次转换为核心态，对刚才的中断信号处理，由于IO操作完成，所以操作系统知道进程2可以恢复运行了，以完成后续工作，所以操作系统再次交还CPU执行权，让进程2再次运行。

  从上面过程可以看出：

  (1) 当中断发生时，CPU立即进入核心态。
  (2) 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进程处理。
  (3) 对于不同的中断信号，会进行不同的处理。

2 中断的本质

  中断的本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
  当发生了中断，就意味着需要操作系统的介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（如进程切换、分配IO设备）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转换为核心态。中断就可以使CPU从用户态转换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。因此，有了中断，才能实现多道程序并发执行。
  用户态到核心态的转换就是通过中断机制实现的，并且中断是唯一途径。
  核心态到用户态的切换时通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）标志位设置为用户态。

3 中断的分类

  中断可以分为：内中断和外中断。
  内中断：内中断的信号来源于CPU内部、与当前执行的指令有关。如整数除0。
  外中断：外中断的信号来源于CPU外部、与当前执行的指令无关。如用户强制结束一个进程、IO设备完成操作发生的中断信号。

4 中断的处理过程

  (1) 执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
  (2) 如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器、各种通用寄存器）。
  (3) 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序。
  (4) 恢复进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。

 

5 小结

  (1) 中断是为了实现多道程序并发执行而引入的一种技术。
  (2) 中断的本质就是发生中断时需要操作系统介入开展管理工作。
  (3) 发生CPU会立即进入核心态，针对不同的中断信号，采取不同的处理方式。
  (4) 中断是CPU从用户态进入核心态的唯一途径。
  (5) 中断分为内中断和外中断。
  (6) 进程中断时，操作系统会保存CPU的运行环境，如程序状态字（PSW）、程序计数器、各种通用寄存器，这是为了当进程再次运行时可以从中断的状态处继续运行。