Linux中斷和系統調用的解析

系統調用和中斷的結構圖

作者：番茄味的可比克
鏈接：https://www.zhihu.com/question/30432536/answer/54998416
來源：知乎
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。

中斷：又稱為異步中斷，是其他硬件依照CPU時鍾信號隨機產生的。中斷又被分為可屏蔽硬件中斷和不可屏蔽中斷。在微機原理課程中，處理器中有兩個引腳NMI和INTR負責接受中斷信號，還有高級可編程中斷控制器（APIC），如8259A管理中斷信號。則可屏蔽硬件中斷：任何通過INTR或着局部APIC傳遞到處理器的中斷信號都被稱為可屏蔽硬件中斷，由IO設備產生的IRQ（Interrupt ReQuest）也是可屏蔽硬件中斷。但是通過INTR引腳傳遞的可屏蔽硬件中斷可使用Intel架構定義的中斷向量（0-255），而局部的APIC傳遞的部分只能使用16-255號向量。若中斷信號從NMI引腳傳遞過來，則發生的是一個不可屏蔽中斷。

像我們常見的，鍵盤、網卡輸入就是異步中斷，異步中斷(硬中斷)的處理我們在匯編語言中已經學過了

不可屏蔽中斷源一旦提出請求，cpu必須無條件響應，而對於可屏蔽中斷源的請求，cpu可以響應，也可以不響應。cpu一般設置兩根中斷請求輸入線：可屏蔽中斷請求INTR(Interrupt Require)和不可屏蔽中斷請求NMI(Nonmaskable Interrupt)。對於可屏蔽中斷，除了受本身的屏蔽位的控制外，還都要受一個總的控制，即CPU標志寄存器中的中斷允許標志位IF(Interrupt Flag)的控制，IF位為1，可以得到CPU的響應，否則，得不到響應。IF位可以有用戶控制，指令STI或Turbo c的Enable()函數，將IF位置1(開中斷)，指令CLI或Turbo_c 的Disable()函數，將IF位清0(關中斷)。

典型的非屏蔽中斷源的例子是電源掉電，一旦出現，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。

典型的可屏蔽中斷源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，因為讓打印機等待兒是完全可以的。
————————————————
版權聲明：本文為CSDN博主「lidandan2016」的原創文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版權協議，轉載請附上原文出處鏈接及本聲明。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/lidandan2016/java/article/details/53437273

異常：又稱為同步中斷，是當指令執行時CPU控制單元產生的，之所以稱為同步，是因為只有在一條指令終止執行后CPU才會發出中斷。在不失進程執行連續性的同時，按引起的異常的指令是否能重新執行,且依據它們被報告的方式，異常分為錯誤，陷阱，和終止三種情況。

錯誤：錯誤是一種通常可以能夠被修正的異常，一旦修正，程序能夠不失去連續性地接着執行。當報告錯誤發生時，處理器將機器狀態恢復到執行錯誤之前的狀態。錯誤處理例程的返回地址指向產生錯誤的指令，而不是錯誤指令之后的的那條指令。如頁錯誤。

陷阱：當引起陷阱的指令發生時，馬上產生該異常。陷阱允許程序不失去連續性的繼續執行。陷阱處理例程的返回地址指向引起陷阱的指令的下一條指令（與錯誤本質上的區別）。如溢出。

終止：它並不總是報告產生異常的指令的確定位置，也不允許引起終止的進程或任務重新執行。如總線錯誤導致異常終止。

---

Linux中的中斷向量：

0-19的中斷向量對應於異常和非屏蔽中斷。

20-31Intel保留

32-127可屏蔽硬件中斷

128用於系統調用的可編程異常

129-238可屏蔽硬件中斷

239本地APIC時鍾中斷

240本地APIC高溫中斷

241-250由Linux留作將來使用

251-253處理器間中斷

254本地APIC錯誤中斷

255本地APIC偽中斷(CPU屏蔽某個中斷時產生的)

軟中斷又叫做編程異常，主要用於執行系統調用即*int 0x80*以及給調試程序通報一個特定的事件，所以軟中斷是異常的一種，屬於同步中斷。

而我們的系統調用又是基於軟中斷實現的：注意，我說的是系統調用是基於軟中斷實現的，而不是說系統調用就是軟中斷！這一點看下面的系統調用原理就知道了

Linux中斷和系統調用過程

之后我們主要研究系統調用、其他異常和硬中斷，所以我們在以后就把硬中斷簡稱為中斷，也使用異常、系統調用以示區分

借助這副圖我們可以看到，用戶程序和內核之間的交互主要是通過系統調用實現的，而內核和外部設備之間主要是通過硬中斷

系統調用的執行過程

1. 通過特定指令發出系統調用（int 0x80、sysenter、syscall）

   這個int 0x80就是用於系統調用的可編程異常，當然這只是實現方法之一，由於通過中斷方式發起系統調用的性能較差，較新的CPU和內核都支持使用sysenter和syscall這兩條專用指令來發起系統調用。其中sysenter在32位系統中使用，對應的退出指令為sysexit；syscall在64位系統中使用，對應的退出指令為sysret。

2. CPU從用戶態切換到內核態，進行一些寄存器和環境設置

3. 調用system_call內核函數，通過系統調用號在系統調用表中獲取對應的服務例程

4. 調用系統調用處理例程

5. 使用特定指令從系統調用返回用戶態（iret、sysexit、sysret）

可以看到，和硬件中斷不同，軟中斷基本上是由操作系統的內核處理的。而所有的系統調用也只使用了一個中斷向量

硬件中斷的執行過程

1. 驅動設備將自己的中斷處理程序寫入內核，在加載內核的時候將中斷向量表初始化，中斷向量表中有驅動程序處理中斷的函數的中斷向量

中斷向量:是指中斷服務程序入口地址的偏移量與段基值，一個中斷向量占據4字節空間。中斷向量表是8088系統內存中最低端1K字節空間，它的作用就是按照中斷類型號從小到大的順序存儲對應的中斷向量，總共存儲256個中斷向量。在中斷響應過程中，CPU通過從接口電路獲取的中斷類型號（中斷向量號）計算對應中斷向量在表中的位置，並從中斷向量表中獲取中斷向量，將程序流程轉向中斷服務程序的入口地址。

2. CPU在指令周期的執行周期末進行檢測查看有無中斷，有中斷請求且可以處理時就進入中斷周期，開始做准備工作，保存斷點，確定中斷向量(中斷處理程序入口地址)，然后置為PC，之后就又是取指、執行了。

3. 底層的外部設備和計算機通信使用的就是中斷：硬件（比如說鍵盤按了一下）觸發了一個電信號，這個信號通過中斷線到達中斷控制器i8259A，i8259A接受到這個信號后，向CPU發送INT信號申請CPU來執行剛才的硬件操作，並且將中斷類型號也發給CPU

4. CPU中斷后去查中斷向量表，找到中斷服務例程，例程調用對應的設備驅動與外部設備之間通信

可以看到，硬件中斷中基本是CPU的工作，涉及到操作系統內核的部分很少

關於中斷向量的細節以及實現，可以看這篇文章:https://www.cnblogs.com/frankyou/p/8649435.html

Reference

1. https://blog.csdn.net/weixin_41376979/article/details/83756975?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task
2. https://www.cnblogs.com/answercard/p/4288431.html
3. https://www.zhihu.com/question/30432536
4. https://blog.csdn.net/dillanzhou/java/article/details/82733562
5. https://www.cnblogs.com/frankyou/p/8649435.html