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中断处理

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中断处理源码情景分析

作者：杨小华

E-mail: normalnotebook@126.com

2006.1.1

1. 中断概述

Linux 内核需要对连接到计算机上的所有硬件设备进行管理，这是它份内的工作。如果

要管理这些设备，首先要和他们互相通信才行。想要实现这种功能，一般有两种方法：

1. 轮询（polling）让内核定期对设备的状态进行查询，然后做出相应的处理；

2. 中断（interrupt）让硬件在需要的时候向内核发出信号（变内核主动为硬件主动）。

第一种方案会让内核做不少的无用功，因为轮询总会周期性的重复执行，大量地耗用

CPU 时间，因此效率及其低下，所以一般都是采用第二种方案。

从物理学的角度看，中断是一种电信号，由硬件设备产生，并直接送入中断控制器（如

8259A）的输入引脚上，然后再由中断控制器向处理器发送相应的信号。处理器一经检测到

该信号，便中断自己当前正在处理的工作，转而去处理中断。此后，处理器会通知 OS 已经

产生中断。这样，OS 就可以对这个中断进行适当的处理了。不同的设备对应的中断不同，

而每个中断都通过一个唯一的数字标识。这些中断值通常被称为中断请求线。

1.1. 中断分类

中断可分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：

1. 同步中断是当指令执行时由 CPU 控制单元产生，之所以称为同步，是因为只有

在一条指令执行完成后 CPU 才会发出中断。

2. 异步中断是指由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机产生。

根据 Intel 官方资料，同步中断称为异常（exception），异步中断称为中断

（

interrupt

）

。

中断可分为：

1. 可屏蔽中断（Maskable interrupt）

I/O 设备发出的所有中断请求都会产生可屏蔽中断。一个屏蔽的中断只要还是屏蔽

的，控制单元就忽略它。

2. 非屏蔽中断（Nomaskable interrupt）

只有几个危急事件才引起非屏蔽中断。非屏蔽中断总是由 CPU 辨认。

异常可分为：

1. 处理器探测异常

1) 故障（Fault）

通常可以纠正；一旦纠正，程序就可以在不失连贯性的情况下重新开始。保存在

eip 中的值是引起故障的指令地址。因此，当异常处理程序终止时，那条指令会重

新被执行。

2) 陷阱（Trap）

在陷阱指令执行后立即报告；内核把控制权返回给程序后就可以继续它的执行而不

失连贯性。保存在 eip 中的值是一个随后要执行的指令地址。只有当没有必要重新

执行已中止的指令时，才出发陷阱。

3) 终止（Abort）

发生一个严重的错误；控制单元出了问题，不能在 eip 寄存器中保存引起异常的指

令所在的确切位置。这个异常中止处理程序除了强制中止受影响的进程中止外，没

有别的选择。

2. 编程异常

控制单元把编程异常作为陷阱来处理。

综上所述，从广义上讲，中断可分为四类：中断、故障、陷阱、终止。这些类别之间的

异同点请参看表 1。

类别原因异步/同步返回行为

中断来自 I/O 设备的信号异步总是返回到下一条指令

陷阱有意的异常同步总是返回到下一条指令

故障潜在可恢复的错误同步返回到当前指令

终止不可恢复的错误同步不会返回

表 1 中断的类别(此表摘自《深入理解计算机系统》)

1.2. 中断控制器

X86 计算机的 CPU 为中断只提供了两条外接引脚：NMI 和 INTR。其中 NMI 是不可屏

蔽中断，它通常用于电源掉电和物理存储器奇偶校验；INTR 是可屏蔽中断，可以通过设置

中断屏蔽位来进行中断屏蔽，它主要用于接受外部硬件的中断信号，这些信号由中断控制器

传递给 CPU。

常见的中断控制器有两种：

1. 可编程中断控制器 8259A

传统的 PIC（Programmable Interrupt Controller）是由两片 8259A 风格的外部芯片

以“级联”的方式连接在一起。每个芯片可处理多达 8 个不同的 IRQ 输入线。因为从

PIC 的 INT 输出线连接到主 PIC 的 IRQ2 引脚，所以可用 IRQ 线的个数限制为 15，如

图 1 所示。

外部设备产生的中断信号在 IRQ 管脚上首先由中断控制器处理。中断控制器可以

响应多个中断输入，它的输出连接到 CPU 的 INT 管脚。信号可通过 INT 管脚来通知

CPU 产生了中断。如果 CPU 这时可以处理中断，CPU 会通过 INTA 管脚上的信号通知

中断控制器已接受中断，这时，中断控制器可将一个 8 位数据放置在数据总线上，CPU

依据中断向量号和中断描述符表 IDT 中的信息来自动调用相应的中断服务程序。

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