嵌入式100題（77）：中斷怎么發生，中斷處理大概流程

中斷怎么發生，中斷處理大概流程

1. 中斷概念：

1. 　　中斷是指由於接收到來自外圍硬件（相對於中央處理器和內存）的異步信號或來自軟件的同步信號，而進行相應的硬件／軟件處理。發出這樣的信號稱為進行中斷請求（interrupt request，IRQ）。硬件中斷導致處理器通過一個上下文切換（context switch）來保存執行狀態（以程序計數器和程序狀態字等寄存器信息為主）；軟件中斷則通常作為CPU指令集中的一個指令，以可編程的方式直接指示這種上下文切換，並將處理導向一段中斷處理代碼。中斷在計算機多任務處理，尤其是實時系統中尤為有用。這樣的系統，包括運行於其上的操作系統，也被稱為“中斷驅動的”（interrupt-driven）。
2. 　　中斷是一種使CPU中止正在執行的程序而轉去處理特殊事件的操作，這些引起中斷的事件稱為中斷源，它們可能是來自外設的輸入輸出請求，也可能是計算機的一些異常事故或其它內部原因。
3. 　　中斷：在運行一個程序的過程中，斷續地以“插入”方式執行一些完成特定處理功能的程序段，這種處理方式稱為中斷。

2. 中斷的作用：

1. 並行操作
2. 硬件故障報警與處理
3. 支持多道程序並發運行，提高計算機系統的運行效率
4. 支持實時處理功能

3. 術語：

　　按中斷源進行分類：發出中斷請求的設備稱為中斷源。按中斷源的不同，中斷可分為：

1. 內中斷：即程序運行錯誤引起的中斷
2. 外中斷：即由外部設備、接口卡引起的中斷
3. 軟件中斷：由寫在程序中的語句引起的中斷程序的執行，稱為軟件中斷

　　允許/禁止(開/關)中斷： CPU通過指令限制某些設備發出中斷請求，稱為屏蔽中斷。從CPU要不要接收中斷即能不能限制某些中斷發生的角度 ，中斷可分為：

1. 可屏蔽中斷 ：可被CPU通過指令限制某些設備發出中斷請求的中斷， 那是不是意味着進中斷時disable整個中斷，其實disable的都是可屏蔽中斷？
2. 不可屏蔽中斷：不允許屏蔽的中斷如電源掉電

　　中斷允許觸發器：在CPU內部設置一個中斷允許觸發器，只有該觸發器置“1”，才允許中斷；置“0”，不允許中斷。

1. 指令系統中，開中斷指令，使中斷觸發器置“1”
2. 關中斷指令，使中斷觸發器置“0”

　　中斷優先級：為了管理眾多的中斷請求，需要按每個（類）中斷處理的急迫程度，對中斷進行分級管理，稱其為中斷優先級。在有多個中斷請求時，總是響應與處理優先級高的設備的中斷請求。

　　中斷嵌套：當CPU正在處理優先級較低的一個中斷，又來了優先級更高的一個中斷請求，則CPU先停止低優先級的中斷處理過程，去響應優先級更高的中斷請求，在優先級更高的中斷處理完成之后，再繼續處理低優先級的中斷，這種情況稱為中斷嵌套。

Intel的官方文檔里將中斷和異常理解為兩種中斷當前程序執行的不同機制。這是中斷和異常的共同點。不同點在於：

1. 中斷(interrupt)是異步的事件，典型的比如由I/O設備觸發；異常(exception)是同步的事件，典型的比如處理器執行某條指令時發現出錯了等等。
2. 中斷又可以分為可屏蔽中斷和非可屏蔽中斷，異常又分為故障、陷阱和異常中止3種，它們的具體區別很多書籍和官方文檔都解釋的比較清楚這里不再贅述。

關於它們的區別有兩點是需要注意的：

1. 平常所說的屏蔽中斷是不包括異常的，即異常不會因為CPU的IF位被清（關中斷，指令：cli）而受影響，比如缺頁異常，即使關了中斷也會觸發CPU的處理，回答了我上面紅色部分疑問。
2. 通常說的int 80h這種系統調用使用的中斷方式實際上硬件上是理解為異常處理的，因此也不會被屏蔽掉，這也很好理解，int 80h這種中斷方式是程序里主動觸發的，對於CPU來說屬於同步事件，因此也就屬於異常的范疇。

4. 中斷（異常）處理過程：

　　需要明確的一點是CPU對於中斷和異常的具體處理機制本質上是完全一致的，即：

　　當CPU收到中斷或者異常的信號時，它會暫停執行當前的程序或任務，通過一定的機制跳轉到負責處理這個信號的相關處理程序中，在完成對這個信號的處理后再跳回到剛才被打斷的程序或任務中。這里只描述保護模式下的處理過程，搞清楚了保護模式下的處理過程（更復雜），實模式下的處理機制也就容易理解了。

　　具體的處理過程如下：

　　1)  中斷響應的事前准備：

　　系統要想能夠應對各種不同的中斷信號，總的來看就是需要知道每種信號應該由哪個中斷服務程序負責以及這些中斷服務程序具體是如何工作的。系統只有事前對這兩件事都知道得很清楚，才能正確地響應各種中斷信號和異常。

　　　　1、系統將所有的中斷信號統一進行了編號（一共256個：0～255），這個號稱為中斷向量，具體哪個中斷向量表示哪種中斷有的是規定好的，也有的是在給定范圍內自行設定的。  中斷向量和中斷服務程序的對應關系主要是由IDT（中斷向量表）負責。操作系統在IDT中設置好各種中斷向量對應的中斷描述符（一共有三類中斷門描述符：任務門、中斷門和陷阱門），留待CPU查詢使用。而IDT本身的位置是由idtr保存的，當然這個地址也是由OS填充的。

　　　　2、中斷服務程序具體負責處理中斷（異常）的代碼是由軟件，也就是操作系統實現的，這部分代碼屬於操作系統內核代碼。也就是說從CPU檢測中斷信號到加載中斷服務程序以及從中斷服務程序中恢復執行被暫停的程序，這個流程基本上是硬件確定下來的，而具體的中斷向量和服務程序的對應關系設置和中斷服務程序的內容是由操作系統確定的。

　　2) CPU檢查是否有中斷/異常信號：

　　CPU在執行完當前程序的每一條指令后，都會去確認在執行剛才的指令過程中中斷控制器（如：8259A）是否發送中斷請求過來，如果有那么CPU就會在相應的時鍾脈沖到來時從總線上讀取中斷請求對應的中斷向量。

　　對於異常和系統調用那樣的軟中斷，因為中斷向量是直接給出的，所以和通過IRQ（中斷請求）線發送的硬件中斷請求不同，不會再專門去取其對應的中斷向量。

　　3) 根據中斷向量到IDT表中取得處理這個向量的中斷程序的段選擇符：

　　CPU根據得到的中斷向量到IDT表里找到該向量對應的中斷描述符，中斷描述符里保存着中斷服務程序的段選擇符。

　　4) 根據取得的段選擇符到GDT中找相應的段描述符：

　　CPU使用IDT查到的中斷服務程序的段選擇符從GDT中取得相應的段描述符，段描述符里保存了中斷服務程序的段基址和屬性信息，此時CPU就得到了中斷服務程序的起始地址。這里，CPU會根據當前cs寄存器里的CPL和GDT的段描述符的DPL，以確保中斷服務程序是高於當前程序的，如果這次中斷是編程異常（如：int 80h系統調用），那么還要檢查CPL和IDT表中中斷描述符的DPL，以保證當前程序有權限使用中斷服務程序，這可以避免用戶應用程序訪問特殊的陷阱門和中斷門。

　　5) CPU根據特權級的判斷設定即將運行的中斷服務程序要使用的棧的地址：

　　CPU會根據CPL和中斷服務程序段描述符的DPL信息確認是否發生了特權級的轉換，比如當前程序正運行在用戶態，而中斷程序是運行在內核態的，則意味着發生了特權級的轉換，這時CPU會從當前程序的TSS信息（該信息在內存中的首地址存在TR寄存器中）里取得該程序的內核棧地址，即包括ss和esp的值，並立即將系統當前使用的棧切換成新的棧。這個棧就是即將運行的中斷服務程序要使用的棧。緊接着就將當前程序使用的ss,esp壓到新棧中保存起來。也就說比如當前在某個函數中，使用的棧，在中斷發生時，需要切換新的棧。

　　6) 保護當前程序的現場：

　　CPU開始利用棧保護被暫停執行的程序的現場：依次壓入當前程序使用的eflags，cs，eip，errorCode（如果是有錯誤碼的異常）信息。

　　7) 跳轉到中斷服務程序的第一條指令開始執行：

　　CPU利用中斷服務程序的段描述符將其第一條指令的地址加載到cs和eip寄存器中，開始執行中斷服務程序。這意味着先前的程序被暫停執行，中斷服務程序正式開始工作。

　　8) 中斷服務程序處理完畢，恢復執行先前中斷的程序：

　　在每個中斷服務程序的最后，必須有中斷完成返回先前程序的指令，這就是iret（或iretd）。程序執行這條返回指令時，會從棧里彈出先前保存的被暫停程序的現場信息，即eflags,cs,eip重新開始執行。