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linux云计算:【中断】的本质

XAMPP相关 admin 162浏览 0评论

作  者:道哥,10+年的嵌入式开发老兵。

专注于:C/C++、Linux操作系统、应用程序设计、物联网、单片机和嵌入式开发等领域。

  • 中断向量与中断描述符
  • 中断的分类
    • 内部中断
    • 外部中断
  • 中断号
  • 中断向量和中断处理程序
    • 中断向量的本质
    • 中断处理程序的安装
  • 中断现场的保护和恢复
  • 总结:中断的本质

在软件开发中,中断是一个绕不开的重要话题,但是,不知道您是否遇到过这样的困惑:

很多书籍、文章在介绍中断相关的知识点时,说的都挺有道理。

这篇文章对中断的讲解很正确,那篇文章在描述中断的时候也挺对的,但是,这两篇文章中,怎么有些内容是矛盾的啊?!

单独看任何一篇文章感觉都有道理,看的越多,反而越迷糊?

好比在森林里迷路了,如果只有一个指南针,肯定能走出来。

但是,如果你有 2 个指南针,所指的方向却是相反的,这个时候应该相信谁呢?!

我们仔细梳理了一下就会发现:每一篇文章都是在一定的语境、一定的上下文环境中来讲解的,不同文章的矛盾之处,恰恰是它们所描述的那个上下文大环境不同。

上下文环境,就是描述当前正在执行的程序相关的静态信息,比如:有哪些代码段,栈空间在哪里,进程描述信息在什么位置,当前执行到哪一条指令等等。

如果我们没有一个全局的视角,在同一个上下文环境中来对比不同的文章,就会让自己的理解和认识越来越蒙圈。

因此,对于这种概念比较庞杂,无法用某种确定的逻辑来贯穿的知识点,在脑袋中一定要有一幅全局的地图。

只有对这个全局的地图掌握了,在具体学习每一个局部的知识点时,才能知道自己所处的位置在哪里,才不至于走偏。

这篇文章,我们继续去繁从简,从 8086 这个最简单的处理器入手,来聊一下关于中断的一些知识。

有了这个储备,理清了基本的脉络之后,以后再去学习 Linux 系统中的中断相关内容时,才会有原来如此的感觉!

中断向量与中断描述符

中断向量这个词很时髦,也很神秘!

按道理,不应该在第一部分就端上中断向量这盘硬菜,应该从中断源开始聊起。

但是,毕竟我们已经学习过那么多关于中断的知识了,脑袋中肯定是对中断已经有了一些的基本认知。

所以,在这里我们还是首先来明确一下中断向量和中断描述符这个问题。

在前面的文章中已经聊过关于实模式和保护模式的问题,在 【Linux 从头学】这个系列中,我们一直以来描述的都是实模式下的事情。

本文是实模式下的最后一篇文章,下一篇文章将会进入保护模式。

那么,中断向量就是工作在实模式下的,处理器通过中断号和中断向量,来定位到相应的中断处理程序。

而中断描述符呢,就是工作在保护模式下,处理器通过中断号和中断描述符,来定位到相应的中断处理程序。

也就是说:中断向量和中断描述符,它俩的根本作用是一样的。

只是它们存在于不同的大环境中,而且从描述上也能感觉到,保护模式下的中断描述符会更复杂一些,功能也更强大一些。

它俩就像一对兄弟一样,从外表上看是差不多,功能也是类似。但是透入到内部去看,就会发现有很多的不同之处。

因此,这篇文章我们讲解的就是在实模式下的中断,这一点请大家先明白。

中断的分类

x86 系统中,中断的分类如下:

内部中断

所谓的内部中断,是在 CPU 内部产生并进行处理的。比如:

  1. CPU 遇到一条除以 0 的指令时,将产生 0 号中断,并调用相应的中断处理程序;
  2. CPU 遇到一条不存在的非法指令时,将产生 6 号中断,并调用相应的中断处理程序;

对于内部中断,有时候也称之为异常。

软中断也属于内部中断,是非常有用的,它是由 int 指令触发的。比如 int3 这条指令,gdb 就是利用它来实现对应用程序的调试。

很久之前写过这样的一篇文章原来gdb的底层调试原理这么简单,其中就描述了 gdb 是如何通过插入一个 int 指令,来替换被调试程序的指令码,从而实现断点调试功能的。

外部中断

x86 CPU 上有 2 个中断引脚:INTINTR,分别对应:不可屏蔽中断和可屏蔽中断。

所谓不可屏蔽,就是说:中断不可以被忽视,CPU 必须处理这个中断。

如果不处理,程序就没法继续执行。

而对于可屏蔽中断,CPU 可以忽略它不执行,因为这类中断不会对系统的执行造成致命的影响。

对于外部的可屏蔽中断,CPU 上只有一根 INTR 引脚,但是需要产生中断信号的设备那么多,如何对众多的中断信号进行区分呢?

一般都是通过可编程中断控制器(Programmable Interrupt Controller, PIC),在计算机中使用最多的就是 8259a 芯片。

虽然现代计算机都已经是 APIC(高级可编程中断控制器) 了,但是由于 8259a 芯片是那么的经典,大部分描述外部中断的文章都会用它来举例。

每一片 8259a 可以提供 8 个中断输入引脚,两片芯片级联在一起,就可以提供 15 个中断信号:

  1. 主片的输出引脚 INT 连接到 CPU 的 INTR 引脚上;
  2. 从片的输出引脚 INT 连接到主片的引脚 2 上;

这样的话,两片 8259a 芯片就可以向 CPU 提供 15 个中断信号了,比如:鼠标、键盘、串口、硬盘等等外设。

1. 8259a 之所以称作可编程,是因为它的内部有相关的寄存器。

2. 可以通过指定的端口号,对这些寄存器进行设置,让 8 根 IRQ 中断线上的信号,在送到 CPU 时,对应不同的中断号。

另外,对于外部可屏蔽中断,有 2 层的屏蔽机制:

  1. 在 8259 芯片中,有中断屏蔽寄存器,可以对 IRQ0 ~ IRQ7 输入引脚进行屏蔽;
  2. 在 CPU 内部,也有一个标志寄存器,可以对某一类中断信号进行屏蔽;

中断号

x86 处理器中,一共支持 256 个中断,每一个中断都分配了一个中断号,从 0255

其中,0 ~ 31 号中断向量被保留,用来处理异常和非屏蔽中断(其中只有 2 号向量用于非屏蔽中断,其余全部是异常)。

BIOS 或者操作系统提供了异常处理程序之后,当一个异常产生时,就会通过中断向量表找到响应的异常处理程序,查找的过程马上就会介绍到。

从中断号 32 开始,全部分配给外部中断。

比如:

1. 系统定时器中断 IRQ0,分配的就是 32 号中断;

2. Linux 的系统调用,分配的就是 128 号中断;

我们来分别看一下内部中断和外部中断相关的中断号:

对于通过 8259a 可编程中断控制器接入的中断信号分配如下图所示:

刚才已经说过,8259a 是可编程的,假如我们通过配置寄存器,把 IRQ0 的中断号设置为 32, 那么主片上 IRQ1 ~ IRQ7 所对应的中断号依次加 1,从片上 IRQ8~IRQ15 对应的中断号也是依次递增。

所以,有时候我们可以在代码中断看到下面的宏定义:

中断向量和中断处理程序

当一个中断发生的时候,CPU 获取到该中断对应的中断号,下一步就是要确定调用哪一个函数来处理这个中断,这个函数就称作中断服务程序(Interrupt Service Routine,ISR),有时候也称作中断处理程序、中断处理函数,本质都一样。

中断向,就是通过中断号去查找处理程序的重要的桥梁!

中断向量的本质

8086 中,一个中断向量,就是一个 段地址:中断处理函数偏移量 这样的一对数据,通过这个数据,就可以定位到内存中指定位置的那个中断处理函数。

非常类似于高级编程语言中的函数指针,就是用来指向一个函数的开始地址。

8086 规定:256 个中断向量,必须从内存的 0 地址处开始存放。

每一个中断向量占用 4 个字节(2 个字节的段地址,2 个字节的偏移地址),256 个中断一共占用了 1024 个字节的空间。

之前的文章中,已经介绍过相关的内存模型,如下图所示:

如果把一个中断向量看作函数指针,那么这个中断向量表就相当于是函数指针数组。

举例:

假设 2 号中断被触发了,CPU 就会到中断向量表中查找 2 号中断的中断向量。

因为每一个中断向量占据 4 个字节,那么 2 号中断向量的开始地址就是 2 * 4 = 8,第 8 个字节。

然后在第 8 个字节开始,取 4 个字节的内容:0x1000:0x2000

意思是:2 号中断的处理函数,在段地址为 0x1000,偏移量为 0x2000 的位置处。

那么 CPU 就按照 8086 的物理地址计算方式,得到中断处理函数的物理地址为 0x12000 (段地址左移 4 位 + 偏移地址),于是就跳转到该函数地址处去执行。

1. 由于 Linux 系统是运行在保护模式,在这个模式下,当发生中断时,是通过中断描述符来查找中断处理函数的。

2. 每一个中断描述符,描述了一个中断处理函数所在段的选择子和偏移量,本质上也是用来查找一个中断处理函数。

中断处理程序的安装

既然通过中断向量,找到了中断处理程序,那么这些中断处理程序都是谁放在内存中的呢?

如果您看过一些比较底层的计算机书籍,就能看到一般都会举例:如何手动的把一个普通函数设置为一个中断处理函数。

操作步骤是:

  1. 在代码中,写一个普通函数;
  2. 把这个函数的指令码,搬运到内存中的某一个位置;
  3. 把这个位置(段地址:偏移量),作为一个中断向量,设置到中断向量表中;

此时,如果发生了该中断,你所提供的函数就作为中断处理函数被执行了。

当然了,在一个计算机系统中,BIOS、操作系统和各种外设,会自动为我们提供很多基本的中断处理函数的。

比如:BIOS 中就提供了软中断、内部中断、硬件中断等处理函数,这些函数是固化在 BIOS 的代码中的(映射到 BIOS 所在的 ROM 芯片上),BIOS 只需要把这些处理函数的地址,写入到中断向量表中的相应位置即可。

在之前的文章中提到过,内存中的某些位置是映射到外设的 ROM,在这些外设的 ROM 中也存在一些外设自带的程序。

BIOS 在启动时,会扫描这些映射到外设的内存空间,通过某些关键字信息,如果发现外设有自带的程序,就会去执行。

这些外设程序一般是进行一些自身的初始化,并填写相关的中断向量表,使它们指向外设自带的中断处理程序。

对于操作系统来说就更不用说了,它会重新安排自己需要的中断处理函数,这部分内容我们以后再一起学习、讨论!

中断现场的保护和恢复

当一个中断发生的时候,肯定有一个正在执行的程序被打断。

当中断处理函数执行结束之后,这个被打断的程序需要从刚才被打断的地方继续执行(暂时先不要考虑从中断返回点,进行多任务切换的事情)。

而一个程序执行的上下文环境,就是处理器中的各种寄存器内容:代码段寄存器 cs,指令指针寄存器 sp,标志寄存器 FLAGS

但是,在中断处理程序中,也需要使用这些寄存器。

处理器中的这些寄存器,就是每一个程序执行时上下文信息的存储容器,当然也包括终端处理程序!

因此,在进入中断处理程序之前,CPU 会自动的把这些寄存器 push 到栈中保存起来,然后再跳转到中断处理程序中去执行。

当中断处理程序执行结束后,CPU 会从栈中弹出这些内容,恢复到相应的寄存器中,于是被打断的程序就可以继续执行了。

总结:中断的本质

从功能的角度看,中断有 2 个作用:

  1. 提供执行异步序列的机制;
  2. 给应用程序提供进入系统层的入口;

关于第 2 点,以后在介绍到 Linux 中的 int 0x80 中断就非常清楚了,也就是通过中断,让应用层的程序有机会进入到系统代码中去执行。

因为应用层与操作系统层的代码,是工作在不同的安全级别。

为了系统的安全,Linux 操作系统提供了这样的一个机制,让低安全级别的应用程序,进入到高安全级别的操作系统代码中去执行,毕竟所有的硬件等系统资源都是由操作系统来统一管理的。

我们再从中断处理程序的安装角度来看,中断本质上就是增加了一层间接性:通过固定位置的中断向量表,让中断处理函数的实际地址可以被动态的放在任意位置。

为什么这么做?

假如操作系统想为某一个中断提供处理函数,那么这个处理函数的地址放在内存中的什么位置比较合适?

需要考虑 CPU, 内存大小和布局等多种因素,非常复杂!

而通过使用中断向量表,就在一个固定位置处存放了很多个“指针”。

当中断处理函数放在内存中某个任意位置之后,让“指针”指向这个函数的地址就可以了,从而达到解耦的目的。

这样的话,无论是发生硬件中断,还是应用层代码通过中断门来调用操作系统提供的函数,只要触发相应的中断就可以了,简化了 CPU 的设计。
—— End ——

关于中断的相关内容,还有很多需要学习,任重而道远!

特别是在 Linux 系统中,中断处理又分为上半部分、下半部分,而下半部分又可以根据不同的功能需求采取不同的机制来处理。

我仍然是持有之前的观点:磨刀不误砍柴工。

把学习周期拉长,一点一滴的积累,Haste Makes Waste!

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