"Linux中断实现/Interrupt in Linux - 硬件篇 - APIC 8259"
在Linux操作系统中,中断是计算机硬件和软件之间通信的关键机制,它允许硬件设备在需要操作系统服务时通知CPU。本文将深入探讨Linux中断的硬件层面,特别是与8259 Programmable Interrupt Controller (PIC) 和Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC) 相关的知识。
1. **中断控制器:8259 PIC**
8259 是早期的中断控制器,用于管理8个外部中断请求(IRQs)。它通过级联两个8259芯片可以扩展到16个IRQ。每个中断请求都有一个唯一的编号,当硬件设备产生中断时,它会发送这个编号到8259,然后8259将中断信号传递给CPU。
2. **APIC:Advanced Programmable Interrupt Controller**
随着处理器和系统复杂性的增加,8259不再满足需求,因此引入了APIC。APIC是一个更高级的中断控制器,支持更多的中断线和更复杂的中断处理逻辑。在Intel x86平台上,APIC分为Local APIC(每个处理器核心有一个)和I/O APIC,它们共同处理中断分发,允许多处理器系统中的中断路由和负载均衡。
3. **中断探测与初始化**
在Linux启动过程中,内核会探测系统中存在的中断控制器,并进行相应的初始化。这包括识别I/O APICs,配置中断向量表,以及设置中断处理程序。这些过程是通过内核的初始化函数和驱动程序完成的,确保所有硬件中断都能被正确处理。
4. **中断处理流程**
当硬件设备触发中断时,CPU会暂停当前执行的任务,保存上下文,然后跳转到中断处理程序。在Linux中,中断处理分为顶半部(top half)和底半部(bottom half),顶半部负责快速处理中断,释放硬件资源,而底半部则处理耗时的或非原子的操作,以避免阻塞其他中断。
5. **中断嵌套与中断屏蔽**
Linux支持中断嵌套,即一个中断处理过程中可以被另一个更高优先级的中断打断。同时,为了防止不必要的中断打扰正在处理中断的CPU,内核会使用中断屏蔽技术。每个中断都有一个掩码位,设置后可以阻止相应中断的发生。
6. **中断共享与中断处理函数**
在多设备共用同一中断线的情况下,Linux通过中断共享机制来处理。每个设备都有自己的中断处理函数,当中断发生时,根据中断描述符表(IDT)调用相应的处理函数。
7. **中断的软件模拟**
对于某些不直接支持硬件中断的设备,Linux可能需要通过软件模拟中断,如定时器中断。软件中断通常由软件中断指令(如`int`指令)触发,用于实现系统调用等功能。
8. **中断与中断例程**
中断例程是中断处理程序的入口点,它位于内核的中断处理代码中。中断例程通常包括清除中断标志、更新统计信息、调用设备驱动程序的回调函数等步骤。
9. **中断结束与恢复上下文**
中断处理完成后,CPU会恢复之前被中断的任务的上下文,然后继续执行。这一过程包括清除中断状态,恢复寄存器,以及可能的调度操作,确保系统能平滑地从中断状态返回。
本文深入讲解了Linux中断系统的基础知识,包括中断控制器的原理、中断处理流程、中断初始化和中断共享等内容。通过这些知识,读者可以更好地理解Linux内核如何高效地管理硬件中断,以及如何与硬件设备协同工作。不过,由于本文并不适合初学者,建议先了解《Understanding Linux Kernel》等相关书籍,以便建立中断基础概念。