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，处理中断事件。