Linux内核中断机制详解

"中断机制" 在计算机系统中，中断机制是一种关键的技术，它使得硬件设备能够与操作系统（如Linux内核）有效地交互。中断机制允许硬件在需要服务时主动通知CPU，而不是持续不断地轮询检查状态，从而提高了系统的效率和响应速度。 中断的基本流程包括以下几个步骤： 1. **中断触发**：当硬件设备需要CPU的注意时，例如硬盘完成读写操作、键盘按键被按下或网络数据包到达，设备会产生一个电信号，这个信号称为中断请求（Interrupt Request, IRQ）。 2. **中断控制器**：中断请求信号通常会先传递给中断控制器，如8259A，这个组件负责管理和分配中断，将中断请求转化为处理器可以理解的形式。 3. **中断处理**：中断控制器将中断信号发送给CPU，CPU检测到中断后，保存当前执行的任务的状态（即现场保护），然后转去执行中断处理程序。 4. **中断服务**：中断处理程序位于操作系统内核中，它负责处理与中断相关的工作，比如对硬件设备进行操作，完成数据传输，或者更新系统状态。 5. **中断返回**：中断服务完成后，CPU恢复之前保存的任务状态，继续执行被中断的程序，这就是中断返回。 中断可以分为两类： - **同步中断（Synchronous Interrupts）**，也称为异常，通常是由CPU在执行指令期间遇到的问题引起的，如除零错误、页面错误等。同步中断与当前执行的指令紧密相关，一旦发生，CPU会立即停止执行当前指令。 - **异步中断（Asynchronous Interrupts）**，通常是由外部硬件设备产生的，如I/O设备的中断请求。这些中断与CPU当前执行的指令无关，它们可以在任何时候发生，由硬件设备的时钟信号触发。 中断又可以细分为两类： - **可屏蔽中断（Maskable Interrupts）**：大多数硬件设备产生的中断属于这一类，可以通过设置中断屏蔽位来控制CPU是否响应。当中断被屏蔽时，CPU会忽略这些中断请求。 - **非屏蔽中断（Non-Maskable Interrupts, NMI）**：这类中断无法被屏蔽，通常用于处理非常紧急的情况，如电源故障、硬件错误等。非屏蔽中断一旦发生，CPU必须立即处理。 中断机制在现代操作系统中的应用非常广泛，它不仅提高了系统的实时性，还使得CPU能够高效地处理多个并发事件，是多任务操作系统和实时系统的基础。理解中断机制对于操作系统设计和硬件驱动开发至关重要。