计算机中断

1 什么是中断

中断^[1]（英语：Interrupt），又称插断，在计算机科学中是指处理器接收到来自硬件或软件的信号，提示发生了某个事件，应予以注意，这种情况就称为中断。

2 中断是如何工作的

计算机中的中断机制是CPU和操作系统共同配合的结果。

1. CPU层面的机制：
   中断在硬件层面是由CPU管理的。CPU中内置了处理中断的硬件电路，当接收到中断信号时，它会暂停当前正在执行的指令，将程序计数器（PC）和相关寄存器的内容保存起来，然后跳转到一个预定义的中断处理程序的入口地址。CPU需要具备检测中断信号、保存现场（当前程序的状态）、并执行相应的中断处理程序的能力。

2. 操作系统层面的机制：
   中断处理程序（Interrupt Service Routine, ISR）通常是由操作系统编写和管理的。操作系统负责：

   • 注册和管理中断处理程序。
   • 响应不同的中断类型（如硬件中断、软件中断、时钟中断等）。
   • 保存和恢复进程的上下文，确保中断处理完毕后能够恢复正常程序执行。
   • 控制任务调度，在多任务环境下，当中断发生时，操作系统会决定是继续运行当前任务，还是切换到其他任务。

因此，中断机制的基础来自于CPU硬件支持，而操作系统负责管理中断的高层逻辑。两者紧密协作，确保中断处理的高效和系统的正常运行。

一般来说，中断的优先级高于普通进程

3 中断的种类

3.1 硬件中断

硬件中断是由计算机外部硬件设备（如键盘、鼠标、硬盘、网络接口等）或内部硬件组件（如定时器、控制器）生成的信号，用来通知CPU发生了某个事件，要求CPU暂停当前任务并立即进行处理。这是一种异步的通信方式，能够确保外部设备与CPU高效互动。

• 键盘中断：当你按下一个键时，键盘发送一个中断信号给CPU，CPU暂停当前任务，读取按键数据。
• 鼠标中断：移动鼠标时，鼠标发送中断信号给CPU，CPU响应并处理移动事件。
• 定时器中断：系统定时器会周期性地向CPU发送中断信号，用于管理任务调度和系统时钟。

3.2 软件中断

软件中断是由程序通过特定的指令主动触发的中断，它通常用于实现系统调用或处理特定的程序异常。与硬件中断不同，软件中断是由软件发出的，而不是由外部设备或硬件组件引发的。

• 系统调用（System Call）： 软件中断最常见的用途是实现系统调用。当应用程序需要操作系统提供的服务（如文件读写、内存分配、网络通信等）时，它会触发一个软件中断。操作系统会捕获该中断并执行相应的服务，随后返回给应用程序。这种机制让用户程序能够安全、受控地访问操作系统的资源。
• 异常处理（Exception Handling）： 当程序运行时发生某些异常（如除零错误、非法内存访问），CPU会自动触发软件中断，进入异常处理程序进行处理。
• 调试（Debugging）： 软件中断也可以用于调试。例如，调试器通过在代码中插入断点，利用软件中断暂停程序的执行，检查当前状态，从而帮助开发者进行故障排查。

3.3 Linux 中断处理

Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部：

• 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。 对应硬中断，快速执行
• 下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。 对应软中断，延迟执行

3.3.1 查看中断

• /proc/softirqs 提供了软中断的运行情况；

                    CPU0       CPU1
          HI:         32          4
       TIMER:     217168     160788
      NET_TX:      58113          1
      NET_RX:      73923         35
       BLOCK:      12544         10
    IRQ_POLL:          0          0
     TASKLET:       2802         54
       SCHED:     283839     258237
     HRTIMER:          0          0
         RCU:     116166     128092

具体字段解释如下：

1. HI：高优先级软中断，用于处理非常紧急的软中断任务，极少使用。
2. TIMER：定时器软中断，系统定时器触发的中断。用于定期任务（如进程调度、系统计时）的处理。
3. NET_TX：网络传输（发送）软中断，处理网络数据包的发送。
4. NET_RX：网络接收软中断，处理网络数据包的接收。
5. BLOCK：块设备 I/O 的软中断，处理硬盘等块设备的 I/O 操作。
6. BLOCK_IOPOLL：块设备 I/O 轮询软中断，处理块设备的 I/O 轮询操作，通常在高性能场景中用到。
7. TASKLET：任务队列（Tasklets），用于延迟执行一些非紧急任务。
8. SCHED：调度软中断，触发进程调度相关的任务。
9. HRTIMER：高精度定时器软中断，用于高精度计时任务。
10. RCU：RCU（Read-Copy Update）软中断，RCU 是 Linux 内核中的一种同步机制，通常用于读写锁的管理和延迟删除任务。

软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。

wudanyang@dy-turbo-vm:~$ ps aux | grep softirq
root          16  0.0  0.0      0     0 ?        S    02:08   0:00 [ksoftirqd/0]
root          24  0.0  0.0      0     0 ?        S    02:08   0:00 [ksoftirqd/1]

• /proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况。 硬件中断输出示例

4 参考