文档介绍：第 3 章中断和中断处理
硬件中断机制是一个操作系统内核中非常重要的部分。它的设计直接影响到操作系统整体的性能。它与硬件平台和内核的其它部分,如内存管理、进程调度、设备驱动等都有很密切的关系。因此,它也是操作系统中比较复杂的一个模块。
Linux的硬件中断机制的设计有很多独到之处,本章把kernel ,使读者能够更好的领会最新的kernel 。
硬件提供的中断机制和约定
硬中断即和硬件相关的中断也就是通常意义上的“中断处理程序”,它是直接处理由硬件发过来的中断信号的。当某个设备发出中断请求时,CPU停止正在执行的指令,转而跳到包括中断处理代码或者包括指向中断处理代码的转移指令所在的内存区域。这些代码一般在CPU的中断方式下运行。就回去自己驱动的设备上去看看设备的状态寄存器以了解发生了什么事情,并进行相应的操作。当中断处理完毕以后,CPU将恢复到以前的状态,继续执行中断处理前正在执行的指令。
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硬件提供的中断机制和约定
中断流程
大多数处理器在处理中断过程方式下将不会再有中断发生。但有些CPU的中断有自己的优先权,更高优先权的中断则可以发生。这意味着第一级的中断处理程序必须拥有自己的堆栈,以便在处理更高级别的中断前保存CPU的执行状态。
硬件提供的中断机制和约定
Linux系统是包含内核、系统工具、完整的开发环境和应用的类Unix操作系统。这个系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。1984年,Richard Stallman创立了GNU工程,其目标是开发一个完全免费的类Unix系统及其应用程序。1991年,芬兰赫尔辛基大学一位名叫Linus Torvalds的学生开始了开放源代码的Linux雏形的设计。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的Unix兼容产品
由于Linux是一套具有Unix全部功能的免费操作系统,它在众多的软件中占有很大的优势,为广大的计算机爱好者提供了学习、探索以及修改计算机操作系统内核的机会
中断产生的过程
CPU 在一些外部硬件的帮助下处理中断。中断处理硬件和具体的系统相关,但一般来说,这些硬件系统和 i386 处理器的中断系统在功能上是一致的。
i386 PC 可编程中断控制器8259A级链示意图
中断产生的过程
对于中断,CPU只提供两条外接引线:NMI和INTR;这里的中断线是实际存在的电路,它们通过硬件接口连接到CPU外的设备控制器上。NMI只能通过端口操作来屏蔽,它通常用于电源掉电和物理存储器奇偶验错;INTR可通过直接设置中断屏蔽位来屏蔽,它可用来接受外部中断信号。INTR只有一条引线,为更好的处理外部设备,x86微机通过外接两片级连了可编程中断控制器8259A,以接受更多的外部中断信号。每个8259A中断控制器可以管理8条中断线,当两个8259级联的时候共可以控制15条中断线。,从属中断控制器的输出连接到了主中断控制器的第 3 个中断信号输入,这样,该系统可处理的外部中断数量最多可达 15 个。图的右边是 i386 PC 中各中断输入管脚的一般分配。可通过对8259A的初始化,使这15个外接引脚对应256个中断向量的任何15个连续的向量。设备通过中断线向中断控制器发送高电平告诉操作系统它产生了一个中断,而操作系统会从中断控制器的状态位知道是哪条中断线上产生了中断。
中断产生的过程
8259A主要完成中断优先级排队管理、接受外部中断请求和向CPU提供中断类型号这样一些任务。
由于Intel公司保留0-31号中断向量用来处理异常事件,所以,硬中断必须设在31以后,Linux则在实模式下初始化时把硬中断设在0x20-0x2F。
外部设备产生的中断实际是电平的变化信号,外部设备产生的中断信号在IRQ(中断请求)管脚上,这一信号首先由中断控制器处理。中断控制器可以响应多个中断输入,它的输出连接到 CPU 的 INT 管脚,CPU 在该管脚上的电平变化可通知处理器产生了中断。如果 CPU 这时可以处理中断,CPU 会通过 INTA(中断确认)管脚上的信号通知中断控制器已接受中断,这时,中断控制器可将一个 8 位数据放置在数据总线上,这一 8 位数据也称为中断向量号,CPU 依据中断向量号和中断描述符表(IDT)中的信息自动调用相应的中断服务程序。
中断产生的过程
中断控制器中的控制寄存器实际映射到了 CPU 的 I/O 地址空间中,通过对寄存器的设置,可设定中断控制器屏蔽某些中断,也可以指定中断控制