中断上下文切换详情

中断上下文切换是指当硬件或软件中断^[1]发生时，操作系统需要暂停当前正在执行的任务，去处理中断事件的过程。与进程或线程上下文切换不同，中断上下文切换主要在用户态或内核态中断当前执行的任务，将 CPU 切换到中断处理程序执行。它是一种临时的、优先级很高的切换，不涉及切换到其他进程或线程的执行。

1 中断上下文切换的过程

1. 保存当前 CPU 寄存器状态:

   • 当中断发生时，CPU 会首先保存当前任务的部分寄存器状态，例如程序计数器（PC）、栈指针（SP）、标志寄存器等，以确保在中断处理完成后能够恢复到中断前的状态。这部分信息通常会被保存到内核栈中。

2. 切换到内核栈:

   • 中断处理是在内核态执行的，因此 CPU 会切换到当前任务的内核栈。每个进程或线程在内核中都有独立的内核栈。切换到内核栈后，中断处理程序可以安全地执行需要的内核操作。

3. 执行中断处理程序:

   • CPU 切换到中断处理程序执行。中断处理程序可以是硬件中断处理（如键盘输入、中断时钟、网络数据到达等）或软件中断处理（如系统调用）。在这个阶段，处理程序可以执行与中断相关的操作，例如读取设备数据、更新状态等。

4. 恢复 CPU 状态:

   • 中断处理完成后，操作系统会恢复之前保存的 CPU 寄存器状态，包括程序计数器、通用寄存器、栈指针等，确保中断发生前的任务能够继续运行。

5. 返回中断前的执行:

   • 恢复到中断发生前的执行状态，继续执行中断前的任务。

2 中断上下文切换与进程/线程上下文切换的区别

• 中断上下文切换只涉及当前执行任务的部分寄存器状态的保存与恢复，不涉及切换到其他进程或线程，因此通常比进程/线程上下文切换更轻量。
• 中断上下文切换发生在内核态，其目的是快速处理硬件或软件中断，使系统能够及时响应外部事件。
• 中断上下文不涉及虚拟内存空间的切换，因为中断处理程序运行在内核态，并且不关心哪个用户进程引发了中断。

3 中断上下文中的注意事项

• 在中断上下文中，不允许执行阻塞操作（如等待 I/O、睡眠等），因为中断处理程序需要尽快完成，避免影响系统的实时性和性能。
• 中断处理程序通常只完成必要的工作，其余的处理可能会被推迟到软中断或内核线程中，以减少中断处理的开销。

4 小结

中断上下文切换是一个高优先级、临时的切换，用于处理外部事件（如硬件中断）。它会保存当前任务的部分 CPU 寄存器状态，然后切换到中断处理程序。处理完中断后，系统恢复中断前的执行状态，继续原来的任务。由于中断上下文切换并不涉及切换到其他进程或线程，它的开销相对较小。

5 参考