Linux 内核如何处理中断

妖刀路过

中断是现代 CPU 工作方式中重要的部分。例如：当你每次在键盘上按下一个按键后，CPU 会被中断以使得 PC 读取用户键盘的输入。这个过程发生得相当快，以致于在使用体验上你不会感到任何变化或损害。

此外，键盘并不是导致中断的唯一组件。一般来说，有三种类型的事件会导致 CPU 发生中断：硬件中断、软件中断和异常。在具体介绍不同类型的中断前，我需要先定义一些术语。

定义

中断请求interrupt request（IRQ）是由可编程的中断控制器programmable interrupt controlle（PIC）发起的，其目的是为了中断 CPU 和执行中断服务程序interrupt service routine（ISR）。中断服务程序（ISR）是一个小的程序，用来处理具体的数据，其具体的处理方式依赖于造成中断请求（IRQ）的原因。之前正在运行的进程在中断服务程序（ISR）运行结束前都会被中断。

在过去，中断请求由单独的芯片处理（中断控制器芯片 PIC），I/O 设备直接与中断控制器（PIC）相连。中断控制器（PIC）管理着多种硬件的中断请求（IRQ），并且可以直接与 CPU 通信。当一个中断请求（IRQ）产生后，中断控制器（PIC）向 CPU 写入数据，并且触发中断请求引脚（INTR）。

现如今，中断请求（IRQ）由 CPU 中的高级可编程中断控制器advanced programmable interrupt controller（APIC）部分来处理。每个核中都拥有属于自己的高级可编程中断控制器。

中断的类型

正如我前文中提到的，中断可以根据其来源分为三种类型。

硬件中断

当一个硬件设备想要告诉 CPU 某一需要处理的数据已经准备好后（例如：当键盘被按下或者一个数据包到了网络接口处），它将会发送一个中断请求（IRQ）来告诉 CPU 数据是可用的。接下来会调用在内核启动时设备驱动注册的对应的中断服务程序（ISR）。

软件中断

当你在播放一个视频时，音频和视频是同步播放是相当重要的，这样音乐的速度才不会变化。这是由软件中断实现的，由精确的计时器系统（称为 jiffies）重复发起的。这个计时器会使得你的音乐播放器同步。软件中断也可以被特殊的指令所调用，来读取或写入数据到硬件设备。

当系统需要实时性时（例如在工业应用中），软件中断会变得重要。你可以在 Linux 基金会的文章中找到更多相关信息：面向嵌入式开发者的实时 Linux 介绍。

异常

异常exception是你可能之前就知道的中断类型。当 CPU 执行一些将会导致除零或缺页错误的指令时，任何其他运行中的程序都会被中断。在这种情况下，你会被一个弹窗提醒，或在控制台输出中看到**段错误segmentation fault（核心已转储core dumped）**。但并不是所有异常都是由指令错误引起的。

异常可以进一步分为错误Fault、陷阱Trap和终止Abort。