【转】浅析CPU中断技术

前一阵子忽然蛋疼菊紧，对计算机硬件的工作原理产生了些许兴趣。故查阅了一些资料，加上本人的总结和理解(以及猜测)，为园友先奉上一文如下。

附：本文仅对CPU中断技术进行理论上的剖析，而没有针对中断技术的实现进行分析。

 

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目录

一、什么是CPU中断？

二、CPU中断的作用

三、CPU中断的类型

四、CPU中断的过程

五、多核CPU对中断的处理

 

一、什么是CPU中断？

　　使用计算机的过程中，经常会遇到这么一种情景：

　　1. 你正在看电影

　　2. 你的朋友发来一条QQ信息

　　3. 你一边回复朋友的信息，一边继续看电影

        

　　这个过程中，一切是那么的顺其自然。但理论上来说，播放电影的时候，CPU正在一丝不苟的执行着一条又一条的指令，它是如何在维持电影播放的情况下，及时接收并响应你的键盘输入信息呢？

 

　　这就是CPU中断技术在起作用。

      

       CPU中断技术的定义如下：

1. 计算机处于执行期间
2. 系统内发生了非寻常或非预期的急需处理事件
3. CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序
4. 处理完毕后返回原来被中断处继续执行

 

　　在这里，“非寻常或非预期的事件”指的就是你回复朋友的QQ时，用键盘键入信息。为了及时响应你键入的信息，CPU将正在执行的任务“播放电影”暂时中断，处理完你键入的信息后，继续执行“播放电影”的任务。由于这个“中断当前任务->响应键盘输入->继续当前任务”的执行周期非常短（一般都是微秒级），所以一般人感觉不出来。

        

　　举个现实中的例子：

　　你正在看书，突然你的朋友打来电话，于是你放下书本去接电话，电话打完接着看书。

　　电话响->放下书本->接电话->继续看书这一个过程，就类似于CPU中断的处理过程。

 

二、CPU中断的作用

　　早期的CPU处理外设的事件(比如接收键盘输入)，往往采用“轮询”的方式。即CPU像个查岗的一样轮番对外设顺序访问，比如它先看看键盘有没被按下，有的话就处理，没的话继续往下看鼠标有没有移动，再看看打印机……这种方式使CPU的执行效率很低，且CPU与外设不能同时工作（因为要等待CPU来“巡查”）。

 

　　中断模式时就是说CPU不主动访问这些设备，只管处理自己的任务。如果有设备要与CPU联系，或要CPU处理一些事情，它会给CPU发一个中断请求信号。这时CPU就会放下正在进行的工作而去处理这个外设的请求。处理完中断后，CPU返回去继续执行中断以前的工作。

 

 　　中断模式的作用和优点在于：

　　1. 可以使CPU和外设同时工作，使系统可以及时地响应外部事件。

　　2. 可允许多个外设同时工作，大大提高了CPU的利用率，也提高了数据输入、输出的速度。

　　3. 可以使CPU及时处理各种软硬件故障（比如计算机在运行过程中，出现了难以预料的情况或一些故障，如电源掉电、存储出错、运算溢出等等。计算机可以利用中断系统自行处理，而不必停机或报告工作人员。）

 

三、CPU中断的类型

　　在计算机系统中，根据中断源的不同，通常将中断分为两大类：

　　1. 硬件中断

　　2. 软件中断

        

　　硬件中断

　　硬件中断又称外部中断，主要分为两种：可屏蔽中断、非屏蔽中断。

        

　　可屏蔽中断：

　　1. 常由计算机的外设或一些接口功能产生，如键盘、打印机、串行口等

　　2. 这种类型的中断可以在CPU要处理其它紧急操作时，被软件屏蔽或忽略

 

　　非屏蔽中断：

　　1. 由意外事件导致，如电源断电、内存校验错误等

　　2. 对于这种类型的中断事件，无法通过软件进行屏蔽，CPU必须无条件响应

 

　　在x86架构的处理器中，CPU的中断控制器由两根引脚(INTR和NMI)接收外部中断请求信号。其中：

　　1. INTR接收可屏蔽中断请求

　　2. NMI接收非屏蔽中断请求

 

　　典型事例：

　　1. 典型的可屏蔽中断的例子是打印机中断，CPU对打印机中断请求的响应可以快一些，也可以慢一些，因为让打印机稍等待一会也是完全合理的。

　　2. 典型的非屏蔽中断的例子是电源断电，一旦出现此中断请求，必须立即无条件地响应，否则进行其他任何工作都是没有意义的。

 

　　软件中断

　　软件中断又称内部中断，是指在程序中调用INTR中断指令引起的中断。比如winAPI中，keybd_event和mouse_event两个函数，就是用来模拟键盘和鼠标的输入（这个仅为笔者本人的猜测）。

 

四、CPU中断的过程

　　中断请求

　　中断请求是由中断源向CPU发出中断请求信号。外部设备发出中断请求信号要具备以下两个条件：

　　1. 外部设备的工作已经告一段落。例如输入设备只有在启动后，将要输入的数据送到接口电路的数据寄存器（即准备好要输入的数据）之后，才可以向CPU发出中断请求。

　　2. 系统允许该外设发出中断请求。如果系统不允许该外设发出中断请求，可以将这个外设的请求屏蔽。当这个外设中断请求被屏蔽，虽然这个外设准备工作已经完成，也不能发出中断请求。

        

　　中断响应、处理和返回

　　当满足了中断的条件后，CPU就会响应中断，转入中断程序处理。具体的工作过程如下：

　　1. 关闭中断信号接收器

　　2. 保存现场(context)

　　3. 给出中断入口，转入相应的中断服务程序

　　4. 处理完成，返回并恢复现场(context)

　　5. 开启中断信号接收器

 

　　中断排队和中断判优

　　1. 中断申请是随机的，有时会出现多个中断源同时提出中断申请。

　　2. CPU每次只能响应一个中断源的请求。

　　3. CPU不可能对所有中断请求一视同仁，它会根据各中断源工作性质的轻重缓急，预先安排一个优先级顺序。当多个中断源同时申请中断时，即按此优先级顺序进行排队，等候CPU处理。

 

　　了解了CPU中断处理的过程，就不难理解下面一种常见的情景：

　　正在拷贝文件时，往某个文本框输入信息，这个文本框会出现短暂的假死，键盘输入的数据不能及时显示在文本框中，需要等一会儿才能逐渐显示出来。

 

　　这是因为该中断操作(往文本框输入信息)在中断队列的优先级比较低，或者CPU认为正在处理的操作(拷贝文件)进行挂起的代价太大，所以只有等到CPU到了一个挂起代价较低的点，才会挂起当前操作，处理本次中断信息。

 

五、多核CPU对中断的处理

　　多核CPU的中断处理和单核有很大不同。多核的各处理器核心之间需要通过中断方式进行通信，所以CPU芯片内部既有各处理器核心的本地中断控制器，又有负责仲裁各核之间中断分配的全局中断控制器。

 

　　现今的多核处理器在中断处理和中断控制方面主要使用的是APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers），即高级编程中断控制器。它是基于中断控制器两个基础功能单元——本地单元以及I/O单元的分布式体系结构。在多核系统中，多个本地和I/O APIC单元能够作为一个整体通过APIC总线互相操作。

 

　　APIC的功能有：

　　1. 接受来自处理器中断引脚的内部或外部I/O APIC的中断，然后将这些中断发送给处理器核心进行处理

　　2. 在多核处理器系统中，接收和发送核内中断消息

 

　　对于外部设备发出的中断请求，由全局中断控制器接收请求并决定交给CPU的哪一个核心处理。也可针对APIC编程，让所有的中断都被一个固定的CPU处理。

 

The End