中断和异常

2022-08-15 15:47:34 浏览数 (1)

1 基本概念

中断定义：通常被定义为改变CPU指令执行序列的事件。

中断可以分为异步和同步中断：

  • 同步中断，是由CPU在执行指令时由CPU控制单元产生的中断。这意味着，CPU必须停止指令的执行，转而响应中断。通常情况下，同步中断就是指 异常。
  • 异步中断，是由外部设备随机产生的，信号采样按照CPU时钟信号。异步中断就是我们通常情况下所指的中断。一般是定时器中断和I/O设备中断。

异常通常分为2类：一类是编程错误，另外一类就是需要内核处理的异常情况。编程错误，比如程序异常终止，处理这种异常，内核只需要给当前进程发送一个信号即可。而需要内核处理的异常，比如页错误、通过汇编语言指令比如int或sysenter等请求内核服务等，需要内核作出相应的处理。

2 中断信号的作用

顾名思义，中断信号提供了一种使CPU跳出当前正在执行的代码流的方法。这是对于轮询机制的一种有效补充，中断机制提高了系统效率。当中断信号来临时，CPU停止当前正在执行的指令，保存当前进程内核态栈中的PC寄存器值（例如，eip和cs寄存器），取而代之的是，将中断类型相关的地址写入到PC寄存器中，从而切换到新的中断上下文。

但是，需要注意的是中断处理和进程切换有着很大不同：中断或者异常处理程序不是进程。它的处理完全在内核态，而且处理的内容非常少，要求响应时间必须非常短。

中断处理对时间高度敏感，有着严格要求：

  • 因为中断随时发生，打断内核的调度。因此，内核希望尽快处理完中断，然后回到正常的调度执行中。比如，假设从网络上接收一个数据包，硬件中断内核，标记数据已经接收，然后就把CPU的使用权交还给之前正在运行的任务。稍后，由负责数据接收的进程来搬运数据到缓冲区，并作进一步处理。由此可见，响应中断的任务就被分成了两部分：紧急部分，由内核立即处理；可延时处理部分留给其它任务处理。
  • 因为中断会随时发生，有时候，内核正在处理一个中断的时候，另一个中断可能会发生。中断处理程序必须能够允许中断嵌套处理。
  • 虽然内核允许中断嵌套处理，但是内核代码中，必须提供临界段代码，在其中，中断必须被禁止。因为有些时候，我们的代码是不允许被中断的，这也是内核同步的一种手段。

3 中断和异常

Intel官方文档将中断和异常分类为：

  • 中断：
    • 可屏蔽中断 所有I/O设备发出的IRQ都能产生可屏蔽中断。屏蔽掉的中断，中断控制器忽略其存在。
    • 非可屏蔽中断 只有很少的重要事件会产生非屏蔽中断。比如，硬件错误。非屏蔽中断总是能够被硬件识别。
  • 异常：
    • Fault 这类异常可以纠正。因为这类错误就是eip指令造成的，所以，一旦异常处理程序正确处理异常后，就可以继续执行eip寄存器中的指令了。
    • Trap 陷阱指令造成的异常。陷阱同Fault一样，因为没有破坏内核态栈中的任何东西，异常处理程序终止后，可以继续执行eip寄存器中的指令。它的设计目的主要是为了调试，告知调试器正在执行一个特殊的指令（比如，在程序里打一个断点）。一旦用户查看完断点处信息后，他就可以让程序继续执行了。
    • Abort 发生严重错误时的异常。此时，CPU控制单元发生异常，但是无法确定发生错误的指令的准确位置，也就是说，在eip寄存器中的指令并不是造成错误的指令。这类错误一般是硬件错误或系统页表中非法或者不一致的地址等。控制单元发出信号，让CPU跳转到异常处理程序。Abort异常处理程序一般都是终止程序的执行。
    • 处理器检测异常 当CPU在执行指令时，检测出的异常。依赖于异常发生时，内核态栈中的eip寄存器指令，又可以分为三类：
    • 编程异常 这类异常一般是由程序员故意造成的。可以使用int或int3指令触发，也可以使用into-溢出中断指令和bound-地址限制异常中断指令检查相应的条件，如果条件为假，也会产生异常。可编程错误一般被当作陷阱-trap处理，通常被称为软件中断。这类异常一般有两种作用：系统调用和告知调试器某个事件。

中断或异常使用一张中断向量表进行管理，编号为0-255。非可屏蔽中断和异常编号是固定的；而可屏蔽中断是不固定的，可以通过对中断控制器进行编程进行修改。

4 中断请求线-IRQ

硬件设备和可编程中断控制器之间使用中断请求线（IRQ）进行连接。中断请求线用来传输电信号。可编程中断控制器接收这些电信号，然后将其转换成中断号。具体如下：

  1. 监听IRQ线，检查上升沿信号。如果同时检测到多个信号，选择数字小的IRQ线。
  2. 如果IRQ中断请求线上产生一个上升沿信号：
    1. 将电信号转换成对应的中断向量，说白了，就是转换成一个对应的数字；
    2. 将该向量存储到中断控制器的I/O端口，然后允许CPU通过数据总线读取它；
    3. 发送一个中断信号到INTR管脚；
    4. 等待CPU应答该中断信号，然后，清除INTR中断线。
  3. 回到第1步。

IRQ线一般从0开始编号，也就是说，第一条IRQ线标记为IRQ0。Intel默认的中断向量表是从IRQ32开始的，也就是说，前32个中断号已经被不可屏蔽中断和保留中断所占用。IRQ线和向量表之间的对应关系可以通过给中断控制器发送合适的I/O指令进行修改。

可以通过对可编程中断控制器（PIC）进行编程，控制是否为某个指定的IRQ线发送中断。被禁止的中断不会丢失，一旦重新使能，PIC就会把它们发送给CPU。大部分的中断处理程序都使用这个特性，可以连续地处理相同类型的IRQ请求。

需要注意的是，这里的使能、禁止IRQ和中断的屏蔽不是一个概念。当eflag寄存器中的IF标志被清除，PIC发送的可屏蔽中断会被CPU忽略掉。cli和sti汇编指令分别用于清除和设置该标志。

传统的PIC控制器使用2个8259A外部芯片，通过”级联”的方式组成的。每个芯片可以接收8个不同的IRQ，但是从PIC的INT输出管脚连接到主PIC的IRQ2管脚上，所以总的可以使用的IRQ线就是15个。

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