計算機中斷機制

淺析CPU中斷技術

前一陣子忽然蛋疼菊緊，對計算機硬件的工作原理產生了些許興趣。故查閱了一些資料，加上本人的總結和理解(以及猜測)，為園友先奉上一文如下。

附：本文僅對CPU中斷技術進行理論上的剖析，而沒有針對中斷技術的實現進行分析。

Ready Go

目錄

一、什么是CPU中斷？

二、CPU中斷的作用

三、CPU中斷的類型

四、CPU中斷的過程

五、多核CPU對中斷的處理

一、什么是CPU中斷？

使用計算機的過程中，經常會遇到這么一種情景：

1. 你正在看電影

2. 你的朋友發來一條QQ信息

3. 你一邊回復朋友的信息，一邊繼續看電影

這個過程中，一切是那么的順其自然。但理論上來說，播放電影的時候，CPU正在一絲不茍的執行著一條又一條的指令，它是如何在維持電影播放的情況下，及時接收并響應你的鍵盤輸入信息呢？

這就是CPU中斷技術在起作用。

CPU中斷技術的定義如下：

計算機處于執行期間

系統內發生了非尋常或非預期的急需處理事件

CPU暫時中斷當前正在執行的程序而轉去執行相應的事件處理程序

處理完畢后返回原來被中斷處繼續執行

在這里，“非尋常或非預期的事件”指的就是你回復朋友的QQ時，用鍵盤鍵入信息。為了及時響應你鍵入的信息，CPU將正在執行的任務“播放電影”暫時中斷，處理完你鍵入的信息后，繼續執行“播放電影”的任務。由于這個“中斷當前任務->響應鍵盤輸入->繼續當前任務”的執行周期非常短（一般都是微秒級），所以一般人感覺不出來。

舉個現實中的例子：

你正在看書，突然你的朋友打來電話，于是你放下書本去接電話，電話打完接著看書。

電話響->放下書本->接電話->繼續看書這一個過程，就類似于CPU中斷的處理過程。

二、CPU中斷的作用

早期的CPU處理外設的事件(比如接收鍵盤輸入)，往往采用“輪詢”的方式。即CPU像個查崗的一樣輪番對外設順序訪問，比如它先看看鍵盤有沒被按下，有的話就處理，沒的話繼續往下看鼠標有沒有移動，再看看打印機……這種方式使CPU的執行效率很低，且CPU與外設不能同時工作（因為要等待CPU來“巡查”）。

中斷模式時就是說CPU不主動訪問這些設備，只管處理自己的任務。如果有設備要與CPU聯系，或要CPU處理一些事情，它會給CPU發一個中斷請求信號。這時CPU就會放下正在進行的工作而去處理這個外設的請求。處理完中斷后，CPU返回去繼續執行中斷以前的工作。

中斷模式的作用和優點在于：

1. 可以使CPU和外設同時工作，使系統可以及時地響應外部事件。

2. 可允許多個外設同時工作，大大提高了CPU的利用率，也提高了數據輸入、輸出的速度。

3. 可以使CPU及時處理各種軟硬件故障（比如計算機在運行過程中，出現了難以預料的情況或一些故障，如電源掉電、存儲出錯、運算溢出等等。計算機可以利用中斷系統自行處理，而不必停機或報告工作人員。）

三、CPU中斷的類型

在計算機系統中，根據中斷源的不同，通常將中斷分為兩大類：

1. 硬件中斷

2. 軟件中斷

硬件中斷又稱外部中斷，主要分為兩種：可屏蔽中斷、非屏蔽中斷。

可屏蔽中斷：

1. 常由計算機的外設或一些接口功能產生，如鍵盤、打印機、串行口等

2. 這種類型的中斷可以在CPU要處理其它緊急操作時，被軟件屏蔽或忽略

非屏蔽中斷：

1. 由意外事件導致，如電源斷電、內存校驗錯誤等

2. 對于這種類型的中斷事件，無法通過軟件進行屏蔽，CPU必須無條件響應

在x86架構的處理器中，CPU的中斷控制器由兩根引腳(INTR和NMI)接收外部中斷請求信號。其中：

1.?INTR接收可屏蔽中斷請求

2.?NMI接收非屏蔽中斷請求

典型事例：

1. 典型的可屏蔽中斷的例子是打印機中斷，CPU對打印機中斷請求的響應可以快一些，也可以慢一些，因為讓打印機稍等待一會也是完全合理的。

2. 典型的非屏蔽中斷的例子是電源斷電，一旦出現此中斷請求，必須立即無條件地響應，否則進行其他任何工作都是沒有意義的。

軟件中斷又稱內部中斷，是指在程序中調用INTR中斷指令引起的中斷。比如winAPI中，keybd_event和mouse_event兩個函數，就是用來模擬鍵盤和鼠標的輸入（這個僅為筆者本人的猜測）。

四、CPU中斷的過程

中斷請求

中斷請求是由中斷源向CPU發出中斷請求信號。外部設備發出中斷請求信號要具備以下兩個條件：

1. 外部設備的工作已經告一段落。例如輸入設備只有在啟動后，將要輸入的數據送到接口電路的數據寄存器（即準備好要輸入的數據）之后，才可以向CPU發出中斷請求。

2. 系統允許該外設發出中斷請求。如果系統不允許該外設發出中斷請求，可以將這個外設的請求屏蔽。當這個外設中斷請求被屏蔽，雖然這個外設準備工作已經完成，也不能發出中斷請求。

中斷響應、處理和返回

當滿足了中斷的條件后，CPU就會響應中斷，轉入中斷程序處理。具體的工作過程如下：

1. 關閉中斷信號接收器

2. 保存現場(context)

3. 給出中斷入口，轉入相應的中斷服務程序

4. 處理完成，返回并恢復現場(context)

5. 開啟中斷信號接收器

中斷排隊和中斷判優

1. 中斷申請是隨機的，有時會出現多個中斷源同時提出中斷申請。

2. CPU每次只能響應一個中斷源的請求。

3. CPU不可能對所有中斷請求一視同仁，它會根據各中斷源工作性質的輕重緩急，預先安排一個優先級順序。當多個中斷源同時申請中斷時，即按此優先級順序進行排隊，等候CPU處理。

了解了CPU中斷處理的過程，就不難理解下面一種常見的情景：

正在拷貝文件時，往某個文本框輸入信息，這個文本框會出現短暫的假死，鍵盤輸入的數據不能及時顯示在文本框中，需要等一會兒才能逐漸顯示出來。

這是因為該中斷操作(往文本框輸入信息)在中斷隊列的優先級比較低，或者CPU認為正在處理的操作(拷貝文件)進行掛起的代價太大，所以只有等到CPU到了一個掛起代價較低的點，才會掛起當前操作，處理本次中斷信息。

五、多核CPU對中斷的處理

多核CPU的中斷處理和單核有很大不同。多核的各處理器核心之間需要通過中斷方式進行通信，所以CPU芯片內部既有各處理器核心的本地中斷控制器，又有負責仲裁各核之間中斷分配的全局中斷控制器。

現今的多核處理器在中斷處理和中斷控制方面主要使用的是APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers），即高級編程中斷控制器。它是基于中斷控制器兩個基礎功能單元——本地單元以及I/O單元的分布式體系結構。在多核系統中，多個本地和I/O APIC單元能夠作為一個整體通過APIC總線互相操作。

APIC的功能有：

1. 接受來自處理器中斷引腳的內部或外部I/O APIC的中斷，然后將這些中斷發送給處理器核心進行處理

2. 在多核處理器系統中，接收和發送核內中斷消息

對于外部設備發出的中斷請求，由全局中斷控制器接收請求并決定交給CPU的哪一個核心處理。也可針對APIC編程，讓所有的中斷都被一個固定的CPU處理。

轉自http://www.cnblogs.com/funeral/archive/2013/03/06/2945485.html

版權聲明：本文內容由網絡用戶投稿，版權歸原作者所有，本站不擁有其著作權，亦不承擔相應法律責任。如果您發現本站中有涉嫌抄襲或描述失實的內容，請聯系我們jiasou666@gmail.com 處理，核實后本網站將在24小時內刪除侵權內容。