中断

CPU 通过指令计数器（PC）存储当前要执行的指令的内存地址，并通过译码器、寄存器等硬件实现指令的执行，这是一个串行的过程。

中断的设计允许 CPU 在一个指令周期结束后，可以转去执行其他的程序（中断服务程序），在执行完后再返回原来被中断的程序。

中断的支持让 CPU 可以灵活的执行指令，从而能进一步的实现多道程序的运行（并发）、故障处理等功能。

如果没有中断，不谈故障处理、多道程序等逻辑的实现，仅检查一个设备是否完成指令这一功能，就只能通过忙等待（Busy waiting），轮询设备来得到设备返回的结果，从而造成大量的 CPU 时间被浪费。

中断的类型

根据中断的来源（中断源），可以分：

外部中断源（硬中断）：由外部硬件产生的信号，如键盘、打印机的中断信号
- 软中断（softirq）：对于一些处理时间较长的硬件中断，为了保证 CPU 关中断的时间很短，所以将中断分为上半部分和下半部分，下半部分也被称为软中断。
内部中断源（软件中断）：由程序错误等产生的中断，如溢出、除 0 等。

根据中断的产生时期，可以分为同步(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，比如系统调用，发生时，CPU 在执行下一条指令前一定会进入中断服务程序。
异步中断是指由其他硬件设备产生的中断，产生的时刻不确定，且与 CPU 的执行无关，也称外部中断。

根据中断源，可以将中断分为中断（Interrupt，来自 IO 设备）和异常（Exception，来自程序或 CPU 指令）。其中，异常可以进一步分为陷阱（trap，有意的异常，如系统调用）、故障（fault，潜在可恢复的错误）、终止（abort，不可恢复的错误）三种。

根据中断是否可以被屏蔽，分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。异常都是不可屏蔽中断，而硬中断中有一部分是可屏蔽中断。

根据 Intel 官方资料，同步中断称为异常(exception)，异步中断被称为中断(interrupt)。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/436901855

中断需要的硬件支持

中断的实现需要相应的硬件支持，这包括：

可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC，常见的有 8259A/APIC）：用于管理中断请求。其他 IO 设备向该控制器发出中断请求，再由中断控制器向 CPU 发送 INT（中断请求信号）。在这过程中包含了中断判优、中断嵌套、中断屏蔽相关的逻辑。
状态寄存器 IF（Interrupt Flag）位：用于控制 CPU 是否可以响应外部的可屏蔽中断请求，为 1 为可以响应。使用 sti 指令可将 IF 位置 1；使用 cli 指令置 0。IF 在一些地方也叫允许中断触发器（EINT）?。
INTR 引脚：位于 CPU ，接受来自中断控制器发送的 INT 中断请求信号。
INTA 引脚：Interrupt Acknowledgement，中断响应信号，位于中断控制器，用于 CPU 在指令周期结束后回应中断控制器。
NMI 引脚：用于不可屏蔽中断，无论状态寄存器中 IF 位的状态如何,CPU 收到有效的 NMI 必须进行响应。NMI 是上升沿有效; 中断类型号固定为 2; 它在被响应时无中断响应周期.不可屏蔽中断通常用于故障处理(如:协处理器运算出错,存储器校验出错,I/O 通道校验出错等).
中断向量表寄存器：用于存储中断向量的入口地址（用于保护模式中）

中断可以被看成是操作系统级别的一种“回调函数”，不要因为中断本身可能带有的负面含义认为中断是某种不好的事件。

中断服务程序的流程

保护现场，包括
- 保存程序的断点：通过中断隐指令完成，即由机器自行完成
- 保存通用寄存器和状态寄存器的内容：通过中断服务程序完成，即在中断服务程序的起始部份安排若干条存数指令，将寄存器的内容存到存储器中或堆栈中。
中断服务：因不同的中断请求源而异
恢复现场：中断服务程序的结尾部份，将原程序中断时的现场恢复到原来的寄存器中。
中断返回：返回到中断前原程序的断点处，以便在下一个指令周期继续执行原程序

中断服务程序的入口地址（中断向量表）

中断服务程序的执行首先需要该程序的入口地址，叫做中断向量，也称为中断指针。

Intel x86 系列微机共支持 256 种向量中断，所有的中断类型都可以由一个 8 位（一个字节）的无符号整数表示，每个中断向量的长度是四个字节。在全部 256 个中断中，前 32 个（0—31）为硬件系统所预留。后 224 个可由用户设定。

需要有一个内存空间来存储所有的中断向量，这样的内存空间叫做中断向量表，也称为中断描述符表 IDT（Interrupt Descriptor Table）。

在实地址模式中，CPU 把内存中从 0 开始的 1K 字节作为中断向量表的地址空间，存储这 256 个中断向量（4B*256 = 1K）。

在保护模式中，中断向量表的基地址和大小通过中断向量表寄存器 IDTR 存储。IDTR 是 48 位的寄存器，其低 16 位保存中断描述符表的大小，高 32 位保存 IDT 的基址。

中断应用*

中断可以出现任何对及时处理某个事件或现象的需求中。

时钟：用于定时发出一个用于上下文切换的中断
人为设置的中断
程序性事故（如浮点溢出、操作码不能识别等）
硬件故障（电源掉电、接触不良等）
IO 设备（用于通知设备状态的变化，如准备就绪）
外部事件（如键盘的 CTRL+C）

中断周期

中断周期中 CPU 需要完成的操作包括：

中断隐指令的执行：

保护程序断点：将当前 PC 内容存到存储器特定单元（如 0 地址）或堆栈中。
寻找中断服务程序的入口地址（通过硬件向量法或中断识别程序等方法获得），从而转去执行该设备的中断服务程序
关中断：禁止 CPU 再次响应新的中断请求

中断隐指令：在机器指令系统中没有的指令，是 CPU 在中短周期内由硬件自动完成的一条指令。

？中断周期是否只是中断服务程序执行前的一个前处理过程？中断服务程序是否还会消耗若干个指令周期才结束？

中断服务程序的最后一条指令是中断返回指令，即中断返回至原程序的断点处。

中断响应的时间

CPU 在执行周期结束时刻统一向所有中断源发送中断查询信号。在指令执行周期结束后，如果有中断，则 CPU 进入中断周期，否则进入下一条指令的取值周期。

在一些情况下，指令执行时间较长，此时可以在执行过程中设置若干个查询断点，在断点时刻发送中断查询信号并响应。

硬中断->软中断的逻辑

系统调用的逻辑

open/write/read 都是系统调用函数，这些函数的调用大多发生的用户态，但是实际执行是在内核态。系统调用的完整过程为用户态调用->内核态执行->用户态获得结果，这样一个用户态/内核态切换的过程也叫做陷阱（trap）。

Linux 中，以 open 为例，系统调用一般的过程为：

用户态的程序调用 open 函数
系统调用代号存入 eax 寄存器，调用 syscall 指令进入内核态
根据系统调用号在 sys_call_table 表中查找 open 对应的内核函数 sys_open
sys_open 调用 SyS_open(其实只是 alias 而已)
SyS_open 调用 SYSC_open
SYSC_open 为实际函数实现，执行实际操作
返回值存放到 rax 寄存器，调用 retq 指令返回用户态

一些特殊的中断类型

处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。
伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题。

Reference

《Linux 内核之旅》http://kerneltravel.net/book/
《操作系统概念第七版》
https://web.xidian.edu.cn/mhdong/files/5fc6160c5f7c8.pdf
https://blog.csdn.net/farmwang/article/details/52337690
https://www.cnblogs.com/Courage129/p/14310441.html

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