操作系统之 ④ 中断子系统-优快云博客

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概述

中断是计算机系统中一种重要的机制，允许硬件或软件中断当前执行的程序，从而进行更紧急的处理。它们使得操作系统能够及时响应外部事件，提高系统的响应能力和效率。中断可以根据来源分为两类：

硬件中断：由外部设备（如键盘、鼠标、网络适配等）生成。当外部设备需要 CPU 的注意时，它会发送一个中断信号，通常用于处理输入输出。
软件中断：由程序自身生成，通常用于系统调用或异常处理。软件中断时程序请求操作系统服务的主要方式。

主要内容

1> 中断向量表

概述

中断向量表（Interrupt Vector Table, IVT）是操作系统中一个重要的数据结构，负责管理中断请求和对应的中断处理程序。它是中断处理机制的核心部分，确保在发生中断时，CPU 能够快速找到并执行相应的处理程序。它通常是一个数组，表中的每个元素都对应一个特定的中断源，包含了该中断源的处理程序的地址。（在 x86 架构的实模式下，中断向量表位于 0x0000:0000 ~ 0x0000:00FF）

结构

每个中断向量通常由一下两部分组成：

中断向量号：这是一个索引，标识不同的中断类型。（通常是从 0 ~ 255。 0 ~ 31 保留给处理器异常和系统异常，如除零、无效操作码等；32 ~ 255 一般分配给硬件设备的中断处理）
中断处理程序的地址：这是以恶搞指向中断处理程序（ISR）的指针，当发生相应中断时，CPU 会跳转到这个地址执行处理程序。

中断向量表可以抽象这样一个数组：

以下是一个简单的 ISR 实现和其在中断向量表中的注册示例：
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/interrupt.h>

#define MY_IRQ 1

// 中断处理程序
static irqreturn_t my_interrupt_handler(int irq, void *dev_id) {
    printk (KERN_INFO "Interrupt occured : IRQ %d\n", irq);
    return IRQ_HANDLED;
}

// 模块加载函数
static int __init my_module_init(void) {
    // 注册中断处理程序
    if (request_irq(MY_IRQ, my_interrupt_handler, IRQF_SHARED, "my_interrupt_handler", (void *)(my_interrupt_handler))) {
        printk (KERN_ERR "Failed to register interrupt handler\n");
        return -1; // 注册失败
    }
    printk (KERN_INFO "Interrupt handler registered successfuly\n");
    return 0; // 注册成功
}

// 模块卸载函数
static void __exit my_module_exit(void) {
    free_irq(MY_IRQ, (void *)(my_intterrupt_handler)); // 释放中断
    printk (KERN_INFO "Interrupt handler unregistered\n");
    return ;
}

module_init(my_module_init); // 指定模块的初始化函数
module_exit(my_module_exit); // 指定模块的卸载函数

MODULE_LICENSE("GPL"); // 模块许可证类型
MODULE_AUTHOR("Name"); // 模块作者
MODULE_DESCRIPTION("Simple interrupt handler"); // 描述模块功能

2> 中断处理流程

中断处理流程是操作系统在处理中断请求时所遵守的一系列步骤。下面时每个步骤的详细解释，涵盖了发生中断后的整个处理过程：

1> 中断信号到达

中断请求：外部设备或程序通过中断请求路线向 CPU 发出中断信息。
中断控制器：中断控制器负责管理多个中断请求。它将中断信号发送给 CPU，并可能会进行中断优先级管理。

2> CPU 响应中断

中断使能：CPU 在执行指令时定期检查中断请求。这个检查通常发生在指令周期的某个时刻（上章讲的时钟子系统）。
中断屏蔽：如果胸痛设置了屏蔽某些中断（即暂时不响应），CPU 会忽略中断信号。只有没被屏蔽的中断请求会被处理。

3> 保存上下文

上下文保存：一旦 CPU 决定响应中断，它会停止当前正在执行的程序，并将当前的执行上下文（如寄存器、程序计数器、栈指针等）保存到内存中的特定位置。这是为了确保在处理完中断后可以恢复到中断前的状态，以正常继续执行。
中断处理栈：在某些情况下，系统可能会切换到一个专用的中断处理栈，以避免与正在执行的程序的栈冲突。

4> 确定中断类型

中断向量号：每个中断都有一个唯一的中断向量号。中断控制器会生成这个向量号，以表示哪个设备发出了中断请求。
查找中断处理程序：CPU 使用中断向量号从中断向量表中查找相应的中断处理程序（ISR）的地址。中断向量表一个数据结构，通常存储在内存中的固定位置，每个向量号对应一个 ISR。

5> 执行中断处理程序（ISR）

调用 ISR：CPU 跳转到中断处理程序的地址，执行 ISR。这些处理程序是由操作系统或设备驱动程序定义的，负责处理特定的中断事件。
ISR 的执行：<1> 读取数据：例如，从硬件设备中读取数据（如键盘输入、网络数据等）。<2> 状态更新：更新相关的数据结构或系统状态（如缓冲区、队列等）。<3> 清楚中断标志：在硬件中清除中断状态，以便允许后续的中断处理。

6> 恢复上下文

上下文恢复：ISR 执行完毕后，CPU 会恢复之前保存的上下问。这包括恢复寄存器的值、程序计数器、栈指针等，使得 CPU 能够回到中断的状态。
中断返回指令：通常在 ISR 中会使用特定的返回指令（如 IRET 或 RETI），指示 CPU 恢复上下问并返回。

7> 中断返回

继续执行：CPU 恢复到中断前的状态后，会继续执行被中断的程序。此时，如果在 ISR 执行期间由其他中断请求到达，CPU 会根据中断优先级决定是否处理这些请求。
调度器和优先级：在一些操作系统中，中断处理完毕后，调度器可能被唤醒，以决定是否需要调度其他任务执行。

总结：

中断处理流程确保了操作系统能够高效地响应外部事件。通过保存和恢复上下文，操作系统能够在处理外部事件的同时，保证系统的稳定性和连续性。每个步骤都是精心设计的，以实现快速和有效的中断响应。理解这个流程对嵌入式系统开发、驱动程序开发和操作系统设计至关重要！

3> 中断屏蔽

概念

中断屏蔽（interrupt Masking)是指暂时禁用某些中断请求的机制。这通常用于确保在处理重要任务时，不会被其他中断打断，从而保证系统的稳定性和一致性。

详解

1> 中断屏蔽的实现

屏蔽位：在中断控制器中，通常有一个屏蔽寄存器（Mask Register），每个总段源对应一个屏蔽位。设置该位为 1 表示禁用该中断，设置为 0 则启用。
软件屏蔽：操作系统或中断处理程序可以通过设置或清除这些屏蔽位，可以动态调整中断的优先级，以及控制哪些中断可以被处理，以便在不同的情况下进行灵活的中断处理。

2> 屏蔽的类型

全局屏蔽：禁用所有中断，这种方式通常用于关键代码段，以防止任何中断的干扰。例如在内核模式下，执行涉及共享资源的操作时可能会全局屏蔽中断。
局部屏蔽：仅禁用特定的中断源，而不是所有中断。这种方式更加灵活，可以处理特定任务时屏蔽特定的中断。例如处理某个设备的数据时，可以屏蔽与该设备无关的中断。

3> 屏蔽的优点

保护关键操作：在进行关键操作时，通过屏蔽中断可以避免数据不一致或状态错误。
提高性能：通过屏蔽低优先级的中断，可以减少上下文切换的开销，提高高优先级任务的执行效率。

4> 屏蔽的缺点

响应延迟：长时间屏蔽中断可能导致系统无法及时响应重要事件，特别是对于实时系统，可能会影响数据采集和事件处理的及时性。
复杂性：管理中断屏蔽状态可能增加系统的复杂性，尤其是在多核或多任务环境中，如何合理安排中断的启用与屏蔽是一个挑战。

总结：

中断屏蔽是操作系统中重要的中断管理机制，能够有效控制中断的响应，保护关键操作，提高系统稳定性。在设计系统时，需要谨慎使用中断屏蔽，以平衡系统的响应能力与稳定性。

4> 中断优先级

概述

中断优先级（Interrupt Priority）是指在多个中断同时发生时，系统根据预设的优先级来决定哪个中断应被优先处理的机制。合理的中断优先级管理对于确保系统的响应性和实时性至关重要。

详解

1> 中断优先级的原理

优先级定义：<1> 每个中断源被分配一个优先值。优先值通常是一个整数，数值越小，优先值越高。<2> 高优先级中断在低优先级中断到达时会打断低优先级中断的处理。
中断控制器：<1> 中断控制器（PIC、APIC）负责管理所有中断源，并根据优先级决定中断的处理顺序。<2> 中断控制器会根据当前正在处理的中断及新的中断请求的优先级，决定是否允许新的中断打断当前的处理。

2> 优先级的实现

硬件优先级：<1> 某些系统的中断控制器具有固定的硬件优先级，每个中断源的优先级在硬件设计时就已定义。<2> 一旦中断请求发生，中断控制器会根据预设的优先级来决定中断的处理顺序。
软件可调优先级：一些高级系统允许操作系统动态调整中断的优先级。这意味着操作系统可以根据当前的工作负载或任务需求，调整中断的优先级。例如可以在实时任务执行时提高某些中断的优先级，以确保及时处理。

3> 优先级的优点

实时响应：高优先级中断可以快速响应关键事件，确保系统在实时应用中的稳定性和可靠性。
资源管理：通过合理分配中断优先级，可以优化系统资源的使用，提高整体性能。

4> 优先级的缺点

优先级反转：低优先级任务只有共享资源时，高优先级任务可能被延迟，导致性能下降。这种现象被称为优先级反转。为解决优先级反转，一般采用优先级继承协议，确保低优先级任务在持有资源时暂时提升优先级。
复杂性：优先级管理增加了系统的复杂性，特别是在多核或多任务环境中，如何合理地配置和调整优先级是一个关键点。

总结：

中断优先级是操作系统中重要的中断管理机制，通过合理配置和管理优先级，可以提高系统的实时性和性能。理解中断优先级及其管理策略对设计高效，稳定的系统至关重要。

5> 延迟中断处理

概述

延迟中断处理是一种优化中断处理性能的技术，用于减少中断处理过程中的开销和提高系统的响应性。在处理器接收到中断请求时，直接处理可能会导致响应时间延迟，因此通过某些处理任务延迟到后续时间来减轻即时处理的负担。

详解

1> 延迟中断处理的原理

中断服务例程（ISR）：<1> 当中断发生时，操作系统会首先调用中断服务例程来处理该中断。ISR 通常需要快速执行，以便快速返回到其他任务中。<2> 在 ISR 内部通常会将一些耗时的操作（如数据处理、设备通信等）放到后续的处理队列中，而不是在 ISR 中立即完成。
使用软中断和任务队列：<1> 软中断（SoftIRQ）：在 Linux 等操作系统总，软中断时延迟处理的一种方式。ISR 处理完成后会触发一个软中断，软中断的处理程序可以在稍后的时间点执行更复杂的操作。<2> 任务队列（Tasklet）：任务队列是一种更轻量级的延迟处理机制，允许在稍后时间处理非紧急的任务。这些任务可以在中断上下文执行，也可以在进程上下问中执行。

2> 延迟中断处理的优势

提高系统响应性：通过将耗时的任务延迟到稍后处理，可以快速返回到正常的执行流程，从而减少中断延迟，提高系统的响应能力。
降低中断处理负担：延迟处理减少了 ISR 中的工作量，从而降低了中断处理过程中的上下文切换和执行时间。
优化性能：通过合理安排延迟处理，可以提高整体系统i性能，尤其是在高负载或多任务环境中。

3> 延迟中断处理示例
void intterrupt_handle() {
    // 执行必要的快速操作
    // ......

    // 将耗时的任务排入任务队列
    into_task_to_queue(long_task);
}

void long_task() {
    // 执行耗时的操作
    // ......
}

// 在某个调度上下文中调用
void process_tasks() {
    while (isempty_task_in_queue()) {
        task = out_task_from_queue();
        task(); // 执行延迟任务
    }
}
总结：

延迟中断处理是一种有效的中断管理策略，通过将耗时操作推迟到后续处理，可以提高系统的响应性和性能。理解这一机制对于设计高效的操作系统和应用程序至关重要，特别是在需要处理大量中断请求的实时系统中。