CPU中断机制

CPU的中断机制是操作系统和硬件之间通信的重要方式,用于处理外部事件和内部任务。中断可以分为硬中断(Hardware Interrupts)和软中断(Software Interrupts)。以下是详细的讲解:

1. 中断的基本概念

定义
  • 中断:是一种异步事件,它会打断当前正在执行的程序或指令流,使CPU转而去处理特定的中断服务程序(Interrupt Service Routine, ISR),处理完毕后再返回原来的任务。
目的
  • 响应外部事件:如用户输入、设备状态变化等。
  • 响应内部事件:如系统调用、异常情况等。

2. 硬中断(Hardware Interrupts)

定义
  • 硬中断:由外部硬件设备触发的中断,通常通过专用的硬件线路(如IRQ线)发送到CPU。
  • 特点
    • 异步性:可以在任何时间点发生,不受当前CPU执行的指令影响。
    • 随机性和突发性:例如键盘按键、网络数据包到达、磁盘读写完成等。
处理流程
  1. 硬件触发:外部设备(如键盘、网卡、硬盘等)检测到事件后,通过硬件线路向CPU发送中断信号。
  2. 保存上下文:CPU暂停当前任务,保存寄存器状态和程序计数器(PC)。
  3. 查找中断向量表:根据中断号查找中断向量表(Interrupt Vector Table, IVT),找到对应的中断服务程序地址。
  4. 执行中断服务程序(ISR):CPU跳转到相应的ISR,处理中断事件。
  5. 恢复上下文:ISR执行完毕后,恢复之前保存的寄存器状态和PC,继续执行原任务。
示例
  • 键盘中断:当用户按下键盘上的键时,键盘控制器会触发中断,通知CPU处理按键事件。
  • 网络中断:当网络适配器接收到数据包时,会产生硬中断,请求CPU处理接收到的数据。

3. 软中断(Software Interrupts)

定义
  • 软中断:由软件或程序通过特定指令(如int指令)发出的中断信号,通常用于请求操作系统服务或处理异常情况。
  • 特点
    • 同步性:在程序执行过程中明确触发,受当前CPU执行的指令控制。
    • 可预测性:通常用于系统调用、异常处理等场景。
处理流程
  1. 软件触发:程序执行特定指令(如int 0x80在Linux中用于系统调用)。
  2. 保存上下文:CPU暂停当前任务,保存寄存器状态和程序计数器(PC)。
  3. 查找中断向量表:根据中断号查找中断向量表(IVT),找到对应的中断服务程序地址。
  4. 执行中断服务程序(ISR):CPU跳转到相应的ISR&#x
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