探究linux内核的中断架构原理 (细说linux内核中断架构)

Linux是一款广泛应用于服务器、嵌入式设备等领域的操作系统，它拥有一个稳定高效的内核。在linux内核中，中断是一个非常重要的机制，它能够提高系统的响应速度、降低系统负荷，而中断架构则是实现这个机制的基础。本文将从什么是中断、中断的分类、中断的处理流程以及中断架构等方面，。

1. 什么是中断？

计算机运行时，CPU需要不停地执行指令，执行指令的过程被称为“执行流程”。在这个过程中，如果遇到了一些重要的事件，比如I/O设备完成了读写等，系统就需要通过中断方式通知CPU，暂停当前的执行流程，去处理这个事件。这个通知的过程，就叫做“中断”。

一般来说，中断分为外部中断和软中断两种。外部中断是指由硬件（如I/O设备）发起的中断请求，通常被称为“IRQ”。软中断则是由操作系统内部程序（如定时器、网络协议等）发起的中断请求，通常被称为“软中断”。

2. 中断的分类

中断可以按照不同的标准进行分类。下面就介绍几种分类方式。

2.1 按照中断源的类型分类

中断源可以分为两类：外部中断源和内部中断源。其中，外部中断源主要是指I/O设备的中断请求，内部中断源则是指操作系统内部的中断请求。

2.2 按照中断源的处理方式分类

中断源处理方式有两种，分别是抢占(preemptive)和非抢占(non-preemptive)。抢占方式是指中断可以打断一个正在执行的进程，优先处理中断请求。非抢占方式则是指中断只在进程空闲时发生，并不能打断正在执行的进程。大多数情况下，Linux内核采用的是抢占方式。

2.3 按照中断的优先级分类

中断的优先级是指在同一时间发生多个中断请求时，由于处理资源有限，系统需要分配优先级来决定中断请求的处理顺序。一般来说，中断的优先级是根据I/O设备重要性、性能要求等因素来决定的。

3. 中断的处理流程

中断的处理流程一般可以分为以下几个步骤。

3.1 中断请求

当硬件设备需要CPU的处理，会像CPU发出中断请求。中断请求可以被硬件产生，也可以是内核程序产生的软中断请求。

3.2 中断响应

CPU接收中断请求后，会检查中断是否被屏蔽。如果中断被屏蔽，CPU不会处理该中断请求；如果中断没有被屏蔽，CPU会暂停当前指令的执行，转向中断处理程序。

3.3 中断处理程序

中断处理程序是由内核编写的一段代码，用于处理中断请求。中断处理程序一般执行如下的任务：

（1）备份CPU现场

（2）禁止新的中断请求

（3）处理中断请求

（4）恢复CPU现场

（5）开启新的中断请求

3.4 中断返回

中断处理程序执行完毕后，CPU会恢复中断请求的处理过程，即恢复之前被打断的程序的执行。此时CPU会从之前的中断请求处继续执行程序，并返回到之前的执行位置。

4. 中断架构

中断架构是指Linux内核中实现中断处理的机制。Linux的中断架构是非常复杂的，涉及到多种数据结构和流程控制。下面主要介绍中断架构的五个方面。

4.1 中断控制器(IRQ)

中断控制器是硬件设备的重要组成部分，负责管理系统的中断请求。Linux内核中支持多种类型的中断控制器，包括PCI、ISA等。当硬件设备发出中断请求时，中断控制器会将中断请求发送给CPU，再由CPU进行中断处理。中断控制器还可以实现中断共享，提高设备效率。

4.2 中断向量表(IVT)

中断向量表是Linux内核中的一张表，记录了所有中断的处理程序地址。当硬件设备发出中断请求后，操作系统会根据请求在中断向量表中查找对应的处理程序地址，并跳转到对应的地址运行。

4.3 中断处理程序(ISR)

中断处理程序是针对每种硬件设备而编写的一段中断处理程序。它负责对相应的中断请求进行处理，包括获取硬件设备的状态、存储处理结果等。

4.4 中断处理线程

中断处理线程是Linux内核中的一种特殊的线程，它负责执行ISR请求。中断处理线程是Linux内核中更高优先级的线程，当中断发生时，中断处理线程会立即执行ISR请求。

4.5 中断上下文

中断上下文是Linux内核中的一种特殊的执行环境，用于保存中断前的现场和中断处理程序执行中的所有变量及寄存器值。中断上下文有硬件中断上下文和软件中断上下文两种，每种中断上下文都是用于保存不同类型的信息。

综上所述，中断是Linux内核中非常重要的机制，它可提高系统的响应速度、降低系统负荷。 Linux内核的中断架构实现了对不同类型的中断请求的管理和处理，在系统的运行过程中起着举足轻重的作用。对于Linux内核的开发者和运维人员来说，深入理解中断架构的原理和实现是非常必要的。