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前一阵子忽然蛋疼菊紧,对计算机硬件的工作原理产生了些许兴趣。故查阅了一些资料,加上本人的总结和理解(以及猜测),为园友先奉上一文如下。

附:本文仅对CPU中断技术进行理论上的剖析,而没有针对中断技术的实现进行分析。

 

Ready Go

 

目录

一、什么是CPU中断?

二、CPU中断的作用

三、CPU中断的类型

四、CPU中断的过程

五、多核CPU对中断的处理

 

一、什么是CPU中断?

  使用计算机的过程中,经常会遇到这么一种情景:

  1. 你正在看电影

  2. 你的朋友发来一条QQ信息

  3. 你一边回复朋友的信息,一边继续看电影

        

  这个过程中,一切是那么的顺其自然。但理论上来说,播放电影的时候,CPU正在一丝不苟的执行着一条又一条的指令,它是如何在维持电影播放的情况下,及时接收并响应你的键盘输入信息呢?

 

  这就是CPU中断技术在起作用。

      

       CPU中断技术的定义如下:

  1. 计算机处于执行期间
  2. 系统内发生了非寻常或非预期的急需处理事件
  3. CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序
  4. 处理完毕后返回原来被中断处继续执行

 

  在这里,“非寻常或非预期的事件”指的就是你回复朋友的QQ时,用键盘键入信息。为了及时响应你键入的信息,CPU将正在执行的任务“播放电影”暂时中断,处理完你键入的信息后,继续执行“播放电影”的任务。由于这个“中断当前任务->响应键盘输入->继续当前任务”的执行周期非常短(一般都是微秒级),所以一般人感觉不出来。

        

  举个现实中的例子:

  你正在看书,突然你的朋友打来电话,于是你放下书本去接电话,电话打完接着看书。

  电话响->放下书本->接电话->继续看书这一个过程,就类似于CPU中断的处理过程。

 

二、CPU中断的作用

  早期的CPU处理外设的事件(比如接收键盘输入),往往采用“轮询”的方式。即CPU像个查岗的一样轮番对外设顺序访问,比如它先看看键盘有没被按下,有的话就处理,没的话继续往下看鼠标有没有移动,再看看打印机……这种方式使CPU的执行效率很低,且CPU与外设不能同时工作(因为要等待CPU来“巡查”)。

 

  中断模式时就是说CPU不主动访问这些设备,只管处理自己的任务。如果有设备要与CPU联系,或要CPU处理一些事情,它会给CPU发一个中断请求信号。这时CPU就会放下正在进行的工作而去处理这个外设的请求。处理完中断后,CPU返回去继续执行中断以前的工作。

 

   中断模式的作用和优点在于:

  1. 可以使CPU和外设同时工作,使系统可以及时地响应外部事件。

  2. 可允许多个外设同时工作,大大提高了CPU的利用率,也提高了数据输入、输出的速度。

  3. 可以使CPU及时处理各种软硬件故障(比如计算机在运行过程中,出现了难以预料的情况或一些故障,如电源掉电、存储出错、运算溢出等等。计算机可以利用中断系统自行处理,而不必停机或报告工作人员。)

 

三、CPU中断的类型

  在计算机系统中,根据中断源的不同,通常将中断分为两大类:

  1. 硬件中断

  2. 软件中断

        

  硬件中断

  硬件中断又称外部中断,主要分为两种:可屏蔽中断、非屏蔽中断。

        

  可屏蔽中断:

  1. 常由计算机的外设或一些接口功能产生,如键盘、打印机、串行口等

  2. 这种类型的中断可以在CPU要处理其它紧急操作时,被软件屏蔽或忽略

 

  非屏蔽中断:

  1. 由意外事件导致,如电源断电、内存校验错误等

  2. 对于这种类型的中断事件,无法通过软件进行屏蔽,CPU必须无条件响应

 

  在x86架构的处理器中,CPU的中断控制器由两根引脚(INTRNMI)接收外部中断请求信号。其中:

  1. INTR接收可屏蔽中断请求

  2. NMI接收非屏蔽中断请求

 

  典型事例:

  1. 典型的可屏蔽中断的例子是打印机中断,CPU对打印机中断请求的响应可以快一些,也可以慢一些,因为让打印机稍等待一会也是完全合理的。

  2. 典型的非屏蔽中断的例子是电源断电,一旦出现此中断请求,必须立即无条件地响应,否则进行其他任何工作都是没有意义的。

 

  软件中断

  软件中断又称内部中断,是指在程序中调用INTR中断指令引起的中断。比如winAPI中,keybd_eventmouse_event两个函数,就是用来模拟键盘和鼠标的输入(这个仅为笔者本人的猜测)。

 

四、CPU中断的过程

  中断请求

  中断请求是由中断源向CPU发出中断请求信号。外部设备发出中断请求信号要具备以下两个条件:

  1. 外部设备的工作已经告一段落。例如输入设备只有在启动后,将要输入的数据送到接口电路的数据寄存器(即准备好要输入的数据)之后,才可以向CPU发出中断请求。

  2. 系统允许该外设发出中断请求。如果系统不允许该外设发出中断请求,可以将这个外设的请求屏蔽。当这个外设中断请求被屏蔽,虽然这个外设准备工作已经完成,也不能发出中断请求。

        

  中断响应、处理和返回

  当满足了中断的条件后,CPU就会响应中断,转入中断程序处理。具体的工作过程如下:

  1. 关闭中断信号接收器

  2. 保存现场(context)

  3. 给出中断入口,转入相应的中断服务程序

  4. 处理完成,返回并恢复现场(context)

  5. 开启中断信号接收器

 

  中断排队和中断判优

  1. 中断申请是随机的,有时会出现多个中断源同时提出中断申请。

  2. CPU每次只能响应一个中断源的请求。

  3. CPU不可能对所有中断请求一视同仁,它会根据各中断源工作性质的轻重缓急,预先安排一个优先级顺序。当多个中断源同时申请中断时,即按此优先级顺序进行排队,等候CPU处理。

 

  了解了CPU中断处理的过程,就不难理解下面一种常见的情景:

  正在拷贝文件时,往某个文本框输入信息,这个文本框会出现短暂的假死,键盘输入的数据不能及时显示在文本框中,需要等一会儿才能逐渐显示出来。

 

  这是因为该中断操作(往文本框输入信息)在中断队列的优先级比较低,或者CPU认为正在处理的操作(拷贝文件)进行挂起的代价太大,所以只有等到CPU到了一个挂起代价较低的点,才会挂起当前操作,处理本次中断信息。

 

五、多核CPU对中断的处理

  多核CPU的中断处理和单核有很大不同。多核的各处理器核心之间需要通过中断方式进行通信,所以CPU芯片内部既有各处理器核心的本地中断控制器,又有负责仲裁各核之间中断分配的全局中断控制器。

 

  现今的多核处理器在中断处理和中断控制方面主要使用的是APIC(Advanced Programmable Interrupt Controllers),即高级编程中断控制器。它是基于中断控制器两个基础功能单元——本地单元以及I/O单元的分布式体系结构。在多核系统中,多个本地和I/O APIC单元能够作为一个整体通过APIC总线互相操作。

 

  APIC的功能有:

  1. 接受来自处理器中断引脚的内部或外部I/O APIC的中断,然后将这些中断发送给处理器核心进行处理

  2. 在多核处理器系统中,接收和发送核内中断消息

 

  对于外部设备发出的中断请求,由全局中断控制器接收请求并决定交给CPU的哪一个核心处理。也可针对APIC编程,让所有的中断都被一个固定的CPU处理。

 

The End

本文是笔者怀着极为谨慎(屁!)的态度和专注负责(你就扯吧!)的精神,耗时七七四十九天方才出炉(可以去死了~)

还望各位大牛怀着海纳百川的心态,包容本菜鸟的愚昧无知。对于错误和遗漏之处,请毫不犹豫的拍砖指正!跪谢!

有钱的捧个钱场,怀孕的捧个人场啦!

posted on 2013-03-06 09:55 Funeral 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏