關(guān)于CPU中斷技術(shù)的理論剖析

一、什么是CPU中斷？

使用計(jì)算機(jī)的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這么一種情景：

1. 你正在看電影

2. 你的朋友發(fā)來(lái)一條QQ信息3. 你一邊回復(fù)朋友的信息，一邊繼續(xù)看電影

這個(gè)過程中，一切是那么的順其自然。但理論上來(lái)說，播放電影的時(shí)候，CPU正在一絲不茍的執(zhí)行著一條又一條的指令，它是如何在維持電影播放的情況下，及時(shí)接收并響應(yīng)你的鍵盤輸入信息呢？

這就是CPU中斷技術(shù)在起作用。

CPU中斷技術(shù)的定義如下：

計(jì)算機(jī)處于執(zhí)行期間

系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了非尋?；蚍穷A(yù)期的急需處理事件

CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序

處理完畢后返回原來(lái)被中斷處繼續(xù)執(zhí)行

在這里，“非尋?；蚍穷A(yù)期的事件”指的就是你回復(fù)朋友的QQ時(shí)，用鍵盤鍵入信息。為了及時(shí)響應(yīng)你鍵入的信息，CPU將正在執(zhí)行的任務(wù)“播放電影”暫時(shí)中斷，處理完你鍵入的信息后，繼續(xù)執(zhí)行“播放電影”的任務(wù)。由于這個(gè)“中斷當(dāng)前任務(wù)->響應(yīng)鍵盤輸入->繼續(xù)當(dāng)前任務(wù)”的執(zhí)行周期非常短（一般都是微秒級(jí)），所以一般人感覺不出來(lái)。

舉個(gè)現(xiàn)實(shí)中的例子：

你正在看書，突然你的朋友打來(lái)電話，于是你放下書本去接電話，電話打完接著看書。

電話響- > 放下書本- > 接電話- > 繼續(xù)看書這一個(gè)過程，就類似于CPU中斷的處理過程。

二、CPU中斷的作用

早期的CPU處理外設(shè)的事件(比如接收鍵盤輸入)，往往采用“輪詢”的方式。即CPU像個(gè)查崗的一樣輪番對(duì)外設(shè)順序訪問，比如它先看看鍵盤有沒被按下，有的話就處理，沒的話繼續(xù)往下看鼠標(biāo)有沒有移動(dòng)，再看看打印機(jī)……這種方式使CPU的執(zhí)行效率很低，且CPU與外設(shè)不能同時(shí)工作（因?yàn)橐却鼵PU來(lái)“巡查”）。

中斷模式時(shí)就是說CPU不主動(dòng)訪問這些設(shè)備，只管處理自己的任務(wù)。如果有設(shè)備要與CPU聯(lián)系，或要CPU處理一些事情，它會(huì)給CPU發(fā)一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。這時(shí)CPU就會(huì)放下正在進(jìn)行的工作而去處理這個(gè)外設(shè)的請(qǐng)求。處理完中斷后，CPU返回去繼續(xù)執(zhí)行中斷以前的工作。

中斷模式的作用和優(yōu)點(diǎn)在于：

可以使CPU和外設(shè)同時(shí)工作，使系統(tǒng)可以及時(shí)地響應(yīng)外部事件。

可允許多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作，大大提高了CPU的利用率，也提高了數(shù)據(jù)輸入、輸出的速度。

可以使CPU及時(shí)處理各種軟硬件故障（比如計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了難以預(yù)料的情況或一些故障，如電源掉電、存儲(chǔ)出錯(cuò)、運(yùn)算溢出等等。計(jì)算機(jī)可以利用中斷系統(tǒng)自行處理，而不必停機(jī)或報(bào)告工作人員。）

三、CPU中斷的類型

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，根據(jù)中斷源的不同，通常將中斷分為兩大類：

硬件中斷

軟件中斷

硬件中斷

硬件中斷又稱外部中斷，主要分為兩種：可屏蔽中斷、非屏蔽中斷。

○ 可屏蔽中斷：

1. 常由計(jì)算機(jī)的外設(shè)或一些接口功能產(chǎn)生，如鍵盤、打印機(jī)、串行口等

2. 這種類型的中斷可以在CPU要處理其它緊急操作時(shí)，被軟件屏蔽或忽略

○ 非屏蔽中斷：

1. 由意外事件導(dǎo)致，如電源斷電、內(nèi)存校驗(yàn)錯(cuò)誤等

2. 對(duì)于這種類型的中斷事件，無(wú)法通過軟件進(jìn)行屏蔽，CPU必須無(wú)條件響應(yīng)

典型事例：

典型的可屏蔽中斷的例子是打印機(jī)中斷，CPU對(duì)打印機(jī)中斷請(qǐng)求的響應(yīng)可以快一些，也可以慢一些，因?yàn)樽尨蛴C(jī)稍等待一會(huì)也是完全合理的。

典型的非屏蔽中斷的例子是電源斷電，一旦出現(xiàn)此中斷請(qǐng)求，必須立即無(wú)條件地響應(yīng)，否則進(jìn)行其他任何工作都是沒有意義的。

軟件中斷

軟件中斷又稱內(nèi)部中斷，是指在程序中調(diào)用INTR中斷指令引起的中斷。比如winAPI中，keybd_event和mouse_event兩個(gè)函數(shù)，就是用來(lái)模擬鍵盤和鼠標(biāo)的輸入（這個(gè)僅為筆者本人的猜測(cè)）。

四、CPU中斷的過程

中斷請(qǐng)求

中斷請(qǐng)求是由中斷源向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。外部設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)要具備以下兩個(gè)條件：

外部設(shè)備的工作已經(jīng)告一段落。例如輸入設(shè)備只有在啟動(dòng)后，將要輸入的數(shù)據(jù)送到接口電路的數(shù)據(jù)寄存器（即準(zhǔn)備好要輸入的數(shù)據(jù)）之后，才可以向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。

系統(tǒng)允許該外設(shè)發(fā)出中斷請(qǐng)求。如果系統(tǒng)不允許該外設(shè)發(fā)出中斷請(qǐng)求，可以將這個(gè)外設(shè)的請(qǐng)求屏蔽。當(dāng)這個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求被屏蔽，雖然這個(gè)外設(shè)準(zhǔn)備工作已經(jīng)完成，也不能發(fā)出中斷請(qǐng)求。

中斷響應(yīng)、處理和返回

當(dāng)滿足了中斷的條件后，CPU就會(huì)響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入中斷程序處理。具體的工作過程如下：

關(guān)閉中斷信號(hào)接收器

保存現(xiàn)場(chǎng)(context)

給出中斷入口，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序

處理完成，返回并恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)(context)

開啟中斷信號(hào)接收器

中斷排隊(duì)和中斷判優(yōu)

中斷申請(qǐng)是隨機(jī)的，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)中斷源同時(shí)提出中斷申請(qǐng)。

CPU每次只能響應(yīng)一個(gè)中斷源的請(qǐng)求。

CPU不可能對(duì)所有中斷請(qǐng)求一視同仁，它會(huì)根據(jù)各中斷源工作性質(zhì)的輕重緩急，預(yù)先安排一個(gè)優(yōu)先級(jí)順序。當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷時(shí)，即按此優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行排隊(duì)，等候CPU處理。

了解了CPU中斷處理的過程，就不難理解下面一種常見的情景：

正在拷貝文件時(shí)，往某個(gè)文本框輸入信息，這個(gè)文本框會(huì)出現(xiàn)短暫的假死，鍵盤輸入的數(shù)據(jù)不能及時(shí)顯示在文本框中，需要等一會(huì)兒才能逐漸顯示出來(lái)。

這是因?yàn)樵撝袛嗖僮?往文本框輸入信息)在中斷隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)比較低，或者CPU認(rèn)為正在處理的操作(拷貝文件)進(jìn)行掛起的代價(jià)太大，所以只有等到CPU到了一個(gè)掛起代價(jià)較低的點(diǎn)，才會(huì)掛起當(dāng)前操作，處理本次中斷信息。

五、多核CPU對(duì)中斷的處理

多核CPU的中斷處理和單核有很大不同。多核的各處理器核心之間需要通過中斷方式進(jìn)行通信，所以CPU芯片內(nèi)部既有各處理器核心的本地中斷控制器，又有負(fù)責(zé)仲裁各核之間中斷分配的全局中斷控制器。

現(xiàn)今的多核處理器在中斷處理和中斷控制方面主要使用的是APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers），即高級(jí)編程中斷控制器。它是基于中斷控制器兩個(gè)基礎(chǔ)功能單元——本地單元以及I/O單元的分布式體系結(jié)構(gòu)。在多核系統(tǒng)中，多個(gè)本地和I/O APIC單元能夠作為一個(gè)整體通過APIC總線互相操作。

APIC的功能有：

接受來(lái)自處理器中斷引腳的內(nèi)部或外部I/O APIC的中斷，然后將這些中斷發(fā)送給處理器核心進(jìn)行處理

在多核處理器系統(tǒng)中，接收和發(fā)送核內(nèi)中斷消息

對(duì)于外部設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)求，由全局中斷控制器接收請(qǐng)求并決定交給CPU的哪一個(gè)核心處理。也可針對(duì)APIC編程，讓所有的中斷都被一個(gè)固定的CPU處理。