什么是中断？

 

我们经常听到中断这个词，到底什么是中断？在这之前我先讲给大家一个故事。

从前有两位班主任A和B，A老师带一班，B老师带二班。这两位老师平时都很忙，平时除了为学生们备课改作业，当某个同学提出问题时，还要为他们解答疑问。A老师生怕遗漏每一位同学提出的问题，每隔一段时间就放下手头的工作，不断轮流寻问每一位同学：“你有问题吗”。也许被寻问的这位同学恰好有问题要咨询老师，可这毕竟是少数；而当A老师继续批改作业的时候又出现了一些同学提出问题，可是这个时候还没到A老师轮流寻问同学的时间。就这样，A老师的宝贵时间经常被浪费。

B老师和A老师有所不同，他认为完全没有必要这样死板的寻问每一位同学是否有问题。他对全班同学说：“谁有问题就主动来找我“。即便他可能正在改作业，但是完全可以暂时放下手头那些重要的工作，先为这位迷惑的同学解决问题。因此，B老师既可以改作业，又可以在学生主动提出问题的时候为那个学生解决问题。显然B老师的工作效率比A老师提高了很多。

故事看懂了，那么恭喜你，你也懂了什么是中断。

上面的两位老师分别代表系统中对设备进行管理的两种典型的方式。A老师的那种工作方式属于早期的程序查询控制方式（或称为轮询），内核定期对设备的状态进行查询；而B老师则属于中断控制方式，I/O设备需要服务时，可主动向内核发出中断请求并打断CPU当前正在执行的任务。前者内核为主动；而后者变内核主动为被动，由设备主动向内核发出中断请求。

从物理角度来看，中断请求是由外部硬件设备产生的一种电信号，外部设备首先将这种电信号发给中断控制器，接着中断控制器将此电信号发送给CPU。CPU检查到该中断信号后再通知内核，然后由内核完成后续的一些列处理工作。显然，内核不需要定期去检查设备，从而提高了CPU利用率。

通过以上的描述，你应该对中断有了一个大致的了解，不过想要更具体的了解中断必须搞清楚以下的知识点。

1.中断的分类

早期以及一般情况下，我们所说的中断即指由外设所产生的中断。随着计算机的迅速发展，中断不再仅仅局限于外部设备，CPU本身也会产生中断，不过我们将这种中断称为异常。

对于x86体系结构而言，中断可以分为两大类：同步中断和异步中断。同步中断即我们上面所说的异常，它是由 CPU 在执行非法命令时所产生的。之所以称为同步，是因为这种中断请求信号与代码指令同步执行，也就是说只有在一条指令执行完毕后 CPU 才会发出中断，而不是发生在代码指令执行期间。而异步中断即由外部设备产生的中断，这种中断可以随时发生，习惯上，我们将异步中断仍然称为中断。

中断可分为可屏蔽中断（Maskable interrupt）和不可屏蔽中断（Nomaskable interrupt）。异常可分为故障（fault）、陷阱（trap）、终止（abort）三类。

可屏蔽中断主要是针对外部设备所产生的中断信号，不可屏蔽中断一般是指计算机内部硬件产生的中断。由于异常是CPU发出的中断信号，与中断控制器（下文有解释）无关，因此异常不能被屏蔽。那么，异常和不可屏蔽中断有些相似点：它们均与外部设备无关，并且均不能被屏蔽。

2.中断控制器

中断控制器可分为可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller,PIC）和高级可编程中断控制器（Advanced Programmable Interrupt Controller,APIC）。前者仅可用于单处理器（Uni-processor）平台，后者则可用于多处理器（Mutiliple Processor）平台。

传统的PIC都是通过两片级联的8259A来管理和控制15个由外部设备所产生的中断源。由下图可看到，每片8259A芯片最多可管理8个中断源。但由于两片8259A芯片的级联，即从片的INT输出端与主片的2号（第三条线）中断线相连接，所以总共可以管理15个中断源。

外设和中断控制器上每根相连的线被称为中断线（也称为IRQ线）。对这些中断线进行编号就形成了中断号。IRQn线所对应的中断号即为n。当外部设备产生中断时，就通过中断线向系统发出中断请求（Interrupt ReQuirement）。由于中断控制器只能控制15个中断源，而如今的外设又日益剧增，因此就出现了对各外设共享一条中断线的情况，即中断共享（后文会有详细解释）。

上面已经说过，外部设备的中断请求可以被屏蔽，但是具体体现到硬件上是如何做到的？在每个8259A芯片上都有一个8位的中断屏蔽寄存器，每一位对应一条中断线。在对应为上置1则可屏蔽此条中断线；相反置0则可启动此条中断线。

需要说明的是，现在大多数计算机都使用的是APIC，可以通过查看/proc/interrupts文件获取中断控制器的名称。之所以将传统的8259A作为PIC的举例来学习，最大的原因还是因为它非常的经典，就如同古董——8086处理器一样。通过查看/proc/interrupts文件，可以发现APIC的中断号并不止15个（但即便是这样，还需要共享中断）。

3.中断向量

x86体系结构支持256种中断，即256个中断源。将这些中断源按照0到255的顺序对每种中断进行编号，这个编号叫做中断向量，通常使用8位无符号整数来存储这个向量。中断号和中断向量存在一对一的映射关系。

中断号和中断向量是两个不同的概念。当I/O设备把中断信号发送给中断控制器时，与之关联的是一个中断号；而当中断控制器将该中断信号传递给CPU时，与之关联的是一个中断向量。也就是说，中断号是以中断控制器的角度而言的；而中断向量则是以CPU的角度而言的。中断号和中断向量存在一对一的映射关系。

通常，Intel将编号为0～31的向量分配给异常和非屏蔽中断，这部分向量是固定的。因此在8259A默认情况下，中断号n所对应的中断向量为n+32。

4.中断服务例程

在响应一个具体的中断时，内核会执行一个函数，该函数被称为中断服务例程（Interrupt Service Routine，ISR），或者中断处理程序（interrupt handler）。每一个设备的驱动程序中都会定义相关的中断处理程序。从下面的代码可以看到，中断处理程序有两个参数，分别为int型和void指针型。并且返回值为irqreturn_t。

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01//linux/include/linux/interrupt.h

02 98typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int,void*);

03//linux/include/linux/irqreturn.h

04 10enum irqreturn {

05 11        IRQ_NONE,

06 12        IRQ_HANDLED,

07 13        IRQ_WAKE_THREAD,

08 14};

09 15

10 16typedefenumirqreturn irqreturn_t;

由于irqreturn_t是一个枚举类型，因此本质上为整形。并且IRQ_NONE,IRQ_HANDLED,IRQ_WAKE_THREAD的值一次为0，1，2。IRQ_NONE表示不处理所收到的中断请求；IRQ_HANDLED表示接收到了有效的中断请求，并且作出了正确的处理（这一点在后文中有详细讨论）。

需要注意的是，当一个中断处理程序正在执行的时候，该中断所在所有处理器上的都会被屏蔽，以免继续接受同一条中断线上的另一个新的中断。

以上就是关于中断的基本概念，了解了它们就容易进行后续的中断分析了。

 

 原文地址：http://edsionte.com/techblog/archives/1495