【中断】你对中断究竟有多了解?试着把中断的触发流程整理了一遍...
如果要你讲一下中断,你会怎么去描述一个中断的触发流程呢?
最基础的可能就是:保护现场 - 中断处理 - 恢复现场...
那保护现场做了什么事情?中断处理需要注意什么事情?恢复现场又做了什么事情?
相对应的,关于中断,还有很多这样的问题:
- 触发中断的因素有哪些?
各中断源如何向CPU提出中断请求?
CPU如何区分是哪个中断触发的请求?
当多个中断源同时提出中断请求时,中断系统如何确定优先响应哪个中断请求?
CPU在什么条件、什么时候、以什么方式来响应中断?
CPU响应中断后,如何保护现场?
CPU响应中断后,如何停止源程序的执行而转入中断服务程序的入口地址?
CPU响应中断结束后,如何恢复现场?如何返回到源程序的间断处?
在中断处理的过程中又出现了新的中断请求,CPU该如何处理?
设计中断系统时,需要考虑哪些主要问题?
...
本文希望就以上的问题,对中断触发和响应流程进行一个详细的描述。力求可以通过一篇文章将中断讲明白!
首先,我先简单的描述一个中断的触发流程:
我们通过某些操作(例如按下按键),产生了电信号(电平触发 / 边沿触发);
这些电平信号,通过硬件上的中断引脚,被传递到了中断控制器;
如果该中断没有被关闭/屏蔽,中断控制器会向CPU发送中断请求;
CPU收到中断请求后,判断是否响应该中断;
(保护现场)如果一切条件满足,响应中断,将当前正在运行的程序上下文保存到寄存器/堆栈中;
(中断处理)CPU寻找中断服务程序的入口地址,跳转到中断服务程序运行;
(恢复现场)中断处理结束后,CPU会将之前保存在堆栈中的断点和寄存器重新恢复;
CPU继续运行之前被打断的程序。
在上述例子中,相关的问题如下:
- 产生中断的方式有哪些?
答:主动触发、软件触发、硬件触发。
- 主动触发(程序中通过函数接口,通知CPU进行中断处理)
- 内部中断(数据溢出、非法地址访问、未识别的操作码...)
- 外部中断(输入/输出设备、硬件设备故障...)
- CPU如何区分是哪个中断源触发的请求?
答:中断引脚+中断号。
每一个能够发出中断请求的硬件设备控制器都有一条名为“IRQ”的输出线。
所有的IRQ输出线都与一个名为可编程中断控制器的硬件电路输入引脚相连。
中断控制器会监视IRQ线上的信号。
如果IRQ线上出现信号,中断控制器会将其转化成对应的中断号,通知CPU处理。
CPU根据中断号,在中断向量表中找到对应的中断处理程序
...
外部设备进行I/O操作时,会随机产生中断请求信号。这个信号中会有特定的标志,使计算机能够判断是哪个设备提出中断请求,这个信号就叫做中断号。
中断号一般是由中断控制器提供的,中断控制器支持一系列的中断源,并提供对应的中断号。中断引脚也是由中断控制器上引出来的。
即中断控制器将中断引脚和中断号关联起来,CPU又将中断号和中断处理程序关联起来,
最终实现了通过中断引脚上的信号,触发CPU去执行中断处理程序。
- 当多个中断源同时提出中断请求时,中断系统(中断控制器)如何确定优先响应哪个中断请求?
答:中断优先级+中断屏蔽
为使系统能及时响应并处理发生的所有中断,系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度,硬件将中断源分为若干个级别,称作中断优先级。
在实际系统中,常常遇到多个中断源同时请求中断的情况,这时CPU必须确定首先为哪一个中断源服务,以及服务的次序。
解决的方法是中断优先排队,即根据中断源请求的轻重缓急,排好中断处理的优先次序即优先级( Priority ),又称优先权,先响应优先级最高的中断请求。
另外,当CPU正在处理某一中断时,要能响应另一个优先级更高的中断请求,而屏蔽掉同级或较低级的中断请求,形成中断嵌套。
- CPU在什么时候、什么条件、以什么方式来响应中断?
答:可以从产生中断、接收中断、执行中断角度去描述。
中断控制器对应的中断引脚上收到信号(产生中断),中断未被屏蔽、中断优先级最高(接收中断),CPU当前处于可以切换上下文的状态(执行中断)。
CPU响应中断条件:
- 有中断源发出的中断请求;
- 中断总允许位EA=1,即CPU开中断;
- 申请中断的中断源的中断允许位为1,即中断没有被屏蔽;
- 无同级或更高级中断正在被服务;
- 当前的指令周期已经结束。
- (保护现场)CPU响应中断后,在开始执行中断服务程序之前,需要做哪些操作?如何保护现场?如何保存原程序断点?
答:简单来说就是,寄存器、堆栈、压栈。
保护现场就是当出现中断时,把CPU的状态,也就是当前程序地址保存在寄存器中,随后转向执行其他任务,当任务完成,从寄存器中取出地址继续执行。保护现场其实就是保存中断前一时刻的状态不被破坏。
CPU保护现场做如下动作:
- 将标志寄存器内容压入堆栈,以保护中断时的状态;
- 将IF和TF标志清0,目的是防止在中断响应的同时又来别的中断,而将TF清0是为了防止CPU以单步方式执行中断处理子程序。这时要特别提醒,因为CPU在中断响应时自动关闭了IF标志,因此用户如要进行中断嵌套时,必须在自己的中断处理子程序中用开中断指令来重新设置IF;
- 保护断点,断点指的是在响应中断时,主程序当前指令下面的一条指令的地址。因此保护断点的动作就是将当前的IP和CS的内容入栈,保护断点是为了以后正确地返回主程序;
Ps:保护现场应该包括保护程序断点和保护CPU内部各寄存器内容的现场俩个方面
Ps:主程序和中断服务子程序都要使用CPU内部寄存器等资源,为使中断处理程序不破坏主程序中寄存器的内容,应先将断点处各寄存器的内容压入堆栈保护起来,再进入的中断。
- (执行中断)CPU响应中断后,如何转入中断服务程序运行?
答:中断向量表。
CPU响应中断做如下动作:
- 根据中断号(由中断控制器传递),在中断向量表中找出相应的中断服务程序的入口地址,跳转至中断服务子程序执行。
Ps:驱动在申请注册中断时,会将中断服务程序和中断号进行绑定。
Ps:中断号是由中断控制器提供的,中断控制器将对应的中断号和中断引脚进行绑定。
- (恢复现象)CPU响应中断结束后,在开始执行中断服务程序之后,需要做哪些操作?如何恢复现场?如何返回到原程序的断点处?
答:简单来说就是,寄存器、堆栈、出栈。
恢复现场就是指将各寄存器和指针恢复到中断前的状态。
当中断处理完毕后,CPU将原程序保存在堆栈中的各个寄存器的内容弹出,即恢复原程序断点处寄存器的原值。
CPU保护现场做如下动作:
- 恢复断点,断点指的是在响应中断时,原程序当前指令下面的一条指令的地址。因此恢复断点的动作就是将先前的指针和寄存器的内容出栈,即恢复原程序断点处寄存器的原值;
- 将IF和TF标志置1,允许接收新的中断;
除此之外,中断很多的概念,例如:
什么是中断上下文?
什么是中断的顶半部、底半部?
中断程序的编写过程钟,有哪些注意事项?
可以参考我的其他文章:
Linux中断知识汇总:
【深入理解Linux内核】【中断】内容汇总帖
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