4. 中断机制

本节介绍中断机制基本原理和相关的可编程控制器硬件逻辑以及Linux系统中使用中断的方法。具体参见第六章setup.S程序后的说明。

1. 中断操作原理

处理器向输入输出设备提供服务的一种方法是轮询方式。这种方法中处理器顺序查询系统中的每个设备，“询问”是否需要服务。另一种方法是在设备需要服务时自己向处理器提出请求。

在设备向处理器提出服务请求，处理器会在执行完当前的一条指令后立刻应答设备请求，并转而执行该设备的相关服务程序。服务程序执行完后，处理器会接着刚才被中断的程序。这种处理方式就是中断（Interrupt），而设备向处理器发出服务请求则称为中断请求（Interrupt Request，IRQ）。相关服务程序叫中断服务程序或中断服务过程（Interrupt Service Routine，ISR）。

可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC）是中断请求的管理者。

• 它通过连接在设备上的引脚接受设备发出的中断服务请求信号。当设备**其中断请求IRQ信号时，PIC立刻会检测到。同时接收到多个中断服务请求，PIC会进行优先级比较并选出最高优先级的中断请求进行处理。如果处理器正在执行一个设备的中断服务程序，PIC还需要把选出的中断请求与正在处理的优先级比较，并基于该比较结果确定是否向处理器发出一个中断信号。

• 当PIC向处理器的INT引脚发出一个中断信号时，处理器会立刻停下正在做的事情并询问PIC需要执行哪个中断服务请求。

• PIC还要通过数据总线发出与中断请求对应的中断号来告知处理器要执行哪个中断服务过程。

• 处理器则根据读取的中断号通过查询中断向量表（或32位保护模式下中断描述符表）取得相关的中断向量（即中断服务程序的地址）并开始执行中断服务程序。

• 中断服务程序执行结束，处理器继续执行被中断信号打断的程序。

上面是外部硬件中断的方式。还有内部中断（异常）和软中断。

PC/AT系列共提供256个中断的支持，大部分用于软件中断或异常。只有很少用于设备。

2. 80X86微机的中断子系统

80X86组成的微机中采用了8259A可编程中断控制器芯片。每个8259A可以管理8个中断源。多片级联，8259A最多能管理64个中断向量的系统。

两级示意图如下。其中从芯片的INT引脚连接到主芯片的IRQ2引脚上，即8259A从芯片发出的中断信号将作为8259A主芯片的IRQ2输入信号。主芯片端口基地址是0x20，从芯片是0xA0。IRQ9引脚的作用与PC/XT的IRQ2一样，即PC/AT机利用硬件电路把使用IRQ2的设备的IRQ2引脚重新定向到PIC的IRQ9上，并利用BIOS中软件把IRQ9的中断int 71重新定向到了IRQ2的中断int 0x0A的中断处理过程。这样一来，任何使用IRQ2的PC/XT的8位适配卡在PC/AT中仍能正常使用，做到了PC系列向下兼容。

在总线控制器控制下，CPU使用IN或OUT指令对8259A进程编程。芯片进入操作状态，可以随时响应外部设备提出的中断请求（IRQ0~IRQ15），同时系统还可以使用操作命令字随时修改其中断处理方式。通过中断判优选择，芯片将选中当前最高优先级的中断请求作为中断服务对象，并通过CPU引脚INT通知CPU外中断请求的到来，CPU响应后，芯片从数据总线D7~D0将编程设定的当前服务对象的中断号送出，CPU获得对应的中断向量值，并执行中断服务程序。

3. 中断向量表

80X86启动时，处于实模式，ROM BIOS中程序会在物理内存开始地址0x0000:0x0000处初始化并设置中断向量表。

BIOS初始化时，设置两个8259A芯片支持的16个硬件中断向量和和BIOS提供的中断号为0x10~0x1f的中断调用功能向量等。对于没有使用的则填入哑地址。

对于Linux，除了刚开始加载内核时需要用到BIOS提供的显示和磁盘读操作中断，内核正常运行之前会在setup.s中重新初始化8259A芯片并在head.s程序中重新设置中断描述符表。

4. Linux内核的中断处理

每个中断由0~255之间一个数字标识。中断int0~int31（0x00~0x1f），由Intel固定设定或保留，属于软件中断，但Intel称为异常。因为这些中断是CPU执行指令时探测到的异常引起的。通常可分为故障（Fault）、陷阱（Traps）和终止（Abort）。其他号用户自己设定。

所有中断分类和执行动作见表5-1。

Linux中，将int32~int47（0x20~02f）对应于8259A终端控制芯片发出的硬件中断请求号IRQ0~IRQ15（表5-2），并把程序编程发出的系统调用接口（system call）中断设为int128（0x80）。系统调用中断是用户程序使用操作系统资源的唯一界面接口。

系统初始化时，内核在head.s中首先使用一个哑中断向量（中断描述符）对中断描述符表（IDT）中所有256个描述符进行默认设置（boot/head.s，78）。这个哑中断向量指向一个默认的“无中断”处理过程（boot/head.s，150）。当发生一个这种中断就会显示信息“未知中断（Unknown interrupt）”。

这里对所有256个项都进行设置，可以有效防止出现一般保护性错误（A general protection fault）（异常13）。否则，若设置的IDT少于256项，超过后会产生一般保护性出错（异常13）。另外，硬件出现问题没有将设备的向量放到数据总线上，CPU通常会从数据总线上读入全1（0xff）作为向量，因此会去读取IDT表中256项，也会出现一般保护性出错。

对于系统需要使用的一些中断，内核会在其继续初始化过程中（init/main.c）中重新设置中断描述符。通常，异常中断处理过程（int0~int 31）都在trap.c的初始化函数中重设（kernel/traps.c，第185行），而系统调用中断int128在调度程序初始化函数中重新设置（kernel/sched.c，417行）。

另外，在设置IDT时Linux内核使用了中断门和陷阱门两种描述符。区别在于对标志寄存器EFLAGS中的中断允许IF的影响。中断门描述符中断会复位IF标志，可以避免其他中断干扰，随后的中断结束指令iret会从堆栈恢复IF标志；陷阱门中断不影响IF。参见11章对include/asm/system.h文件的说明。

5. 标志寄存器的中断标志

为避免竞争条件和中断对临界代码区的干扰，Linux 0,12中内核代码使用了很多cli和sti指令。cli复位CPU标志寄存器的中断标志，使不响应外部中断。sti设置，允许响应外部中断。