读书笔记：《Linux内核设计与实现》第七章 —— “中断和中断处理”

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在第七章中，主要对中断和中断处理进行了介绍。操作系统的任务是对计算机硬件和软件进行管理，内核是操作系统的核心，它负责管理系统进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，其中就需要做到对计算机的硬件设备进行有效管理。要进行管理就必须进行交互。那么内核又是如何使用中断处理函数来处理对应中断？

7.1 中断

从物理学角度来看，中断是一种电信号，由硬件设备产生发送给处理器，处理器接收到中断后，会马上向操作系统反映信号的到来，之后由操作系统来对它【这些数据】进行处理。中断随时都可以产生，因此内核随时可能因为新到来的中断而被中断。

【当接收到一个中断后，中断控制器会给处理器发送一个电信号，处理器【CPU】检测到这个信号之后，就立刻中断自己当前的工作转而处理中断，然后CPU会通知操作系统已经产生中断，so ，操作系统可以对这个中断进行处理了！】

不同的设备对应的中断不同，都有着一个唯一的数字标识，所以键盘的中断和硬盘的中断就是不一样的，通过这个数字标识，操作系统就可以知道这个中断到底来自于什么硬件设备，给对应设备提供对应的中断程序。

在操作系统中，提到中断就不能不说到【异常】，异常也被叫做“同步中断”，和中断不同的地方在于，异常在产生的情况下，必须考虑和CPU时钟同步【处理操作的基本单位】，在处理器执行到因为程序编程而导致的错误指令（被0除）或执行的时候出现特殊情况（缺页），必须靠内核来处理的时候，处理器就会产生一个异常。【因为好多处理器体系结构处理异常和处理中断的方法类似，所以内核对它们的处理也很类似】

7.2 中断处理程序

在响应每一个特定中断的时候，内核会执行一个特定的函数，这个函数就是中断处理程序，在7.1中提到每一个硬件设备对应的中断都不同，所以不同的设备也对应着不同的中断处理函数。中断处理程序是内核调来响应中断的，运行在中断上下文中，中断上下文也被叫做原子上下文，在上下文中执行的代码是不可阻塞的。

中断随时都有可能发生，中断处理程序随时都有可能开始执行，所以必须要保证中断处理程序可以快速的执行，这样才可以尽快地恢复代码的执行。对硬件而言，操作系统能快速的对中断进行服务很重要，但是对系统的其他部分而言，让中断处理程序能在短时间内完成运行也很重要。

7.3 上半部和下半部的对比

中断程序需要执行的很快，但是中断需要完成的事情又很多，显得十分矛盾，所以把中断分为中断上半部和中断下半部；

中断上半部 —— 当接收到一个中断之后就立即开始执行，但是只做有严格时间限制的工作，也就是做迫切需要做且用时短的工作；

中断下半部 —— 紧迫的任务已经在上半部执行完了，下半部基本是耗时长的任务，上半部和下半部的界限并不明显，主要取决于任务存放在哪个部分；

举个栗子：

网卡接收到来自网络的数据包时候，需要通知内核数据包到了，让内核帮助自己调用函数实现数据的接收。网卡需要立即完成这件事情，而且优化网络的吞吐量和传输周期，避免超时。网卡就立即发出中断，告诉内核，内核通过中断处理程序来进行应答 —— 中断开始执行，通知硬件拷贝网络数据发给内存，然后读取网卡更多的数据包，这些都是比较重要且紧迫的工作，内核需要快速的进行数据拷贝，因为网卡上接收网络数据包的缓存大小固定，相比系统内存也比较小，所以一旦拷贝的动作被延迟，就会造成缓存溢出——进入的网络包占满了网卡的缓存，后序的包只能被丢弃，当网络数据包被拷贝到系统内存的时候，中断的任务算是完成了，这时候内核会把控制权交还给系统被中断前原先运行的程序，处理和操作数据包的其他工作在中断下半部执行！