Linux 中斷，本質到底是什麼？

在軟件開發中，中斷是一個繞不開的重要話題，但是，不知道您是否遇到過這樣的困惑：

很多書籍、文章在介紹中斷相關的知識點時，說的都挺有道理。

這篇文章對中斷的講解很正確，那篇文章在描述中斷的時候也挺對的，但是，這兩篇文章中，怎麼有些內容是矛盾的啊？！

單獨看任何一篇文章感覺都有道理，看的越多，反而越迷糊？

好比在森林裏迷路了，如果只有一個指南針，肯定能走出來。

但是，如果你有 2 個指南針，所指的方向卻是相反的，這個時候應該相信誰呢？！

我們仔細梳理了一下就會發現：每一篇文章都是在一定的語境、一定的上下文環境中來講解的，不同文章的矛盾之處，恰恰是它們所描述的那個上下文大環境不同。

上下文環境，就是描述當前正在執行的程序相關的靜態信息，比如：有哪些代碼段，棧空間在哪裏，進程描述信息在什麼位置，當前執行到哪一條指令等等。

如果我們沒有一個全局的視角，在同一個上下文環境中來對比不同的文章，就會讓自己的理解和認識越來越蒙圈。

因此，對於這種概念比較龐雜，無法用某種確定的邏輯來貫穿的知識點，在腦袋中一定要有一幅全局的地圖。

只有對這個全局的地圖掌握了，在具體學習每一個局部的知識點時，才能知道自己所處的位置在哪裏，纔不至於走偏。

這篇文章，我們繼續去繁從簡，從 8086 這個最簡單的處理器入手，來聊一下關於中斷的一些知識。

有了這個儲備，理清了基本的脈絡之後，以後再去學習 Linux 系統中的中斷相關內容時，纔會有原來如此的感覺！

中斷向量與中斷描述符

中斷向量這個詞很時髦，也很神祕！

按道理，不應該在第一部分就端上中斷向量這盤硬菜，應該從中斷源開始聊起。

但是，畢竟我們已經學習過那麼多關於中斷的知識了，腦袋中肯定是對中斷已經有了一些的基本認知。

所以，在這裏我們還是首先來明確一下中斷向量和中斷描述符這個問題。

在前面的文章中已經聊過關於實模式和保護模式的問題，在 【Linux 從頭學】這個系列中，我們一直以來描述的都是實模式下的事情。

本文是實模式下的最後一篇文章，下一篇文章將會進入保護模式。

那麼，中斷向量就是工作在實模式下的，處理器通過中斷號和中斷向量，來定位到相應的中斷處理程序。

而中斷描述符呢，就是工作在保護模式下，處理器通過中斷號和中斷描述符，來定位到相應的中斷處理程序。

也就是說：中斷向量和中斷描述符，它倆的根本作用是一樣的。

只是它們存在於不同的大環境中，而且從描述上也能感覺到，保護模式下的中斷描述符會更復雜一些，功能也更強大一些。

它倆就像一對兄弟一樣，從外表上看是差不多，功能也是類似。但是透入到內部去看，就會發現有很多的不同之處。

因此，這篇文章我們講解的就是在實模式下的中斷，這一點請大家先明白。

中斷的分類

在 x86 系統中，中斷的分類如下：

內部中斷

所謂的內部中斷，是在 CPU 內部產生並進行處理的。比如：

  1. CPU 遇到一條除以 0 的指令時，將產生 0 號中斷，並調用相應的中斷處理程序;

  2. CPU 遇到一條不存在的非法指令時，將產生 6 號中斷，並調用相應的中斷處理程序;

對於內部中斷，有時候也稱之爲異常。

軟中斷也屬於內部中斷，是非常有用的，它是由 int 指令觸發的。比如 int3 這條指令，gdb 就是利用它來實現對應用程序的調試。

外部中斷

x86 CPU 上有 2 箇中斷引腳：INT 和 INTR，分別對應：不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷。

所謂不可屏蔽，就是說：中斷不可以被忽視，CPU 必須處理這個中斷。

如果不處理，程序就沒法繼續執行。

而對於可屏蔽中斷，CPU 可以忽略它不執行，因爲這類中斷不會對系統的執行造成致命的影響。

對於外部的可屏蔽中斷，CPU 上只有一根 INTR 引腳，但是需要產生中斷信號的設備那麼多，如何對衆多的中斷信號進行區分呢？

一般都是通過可編程中斷控制器 (Programmable Interrupt Controller, PIC)，在計算機中使用最多的就是 8259a 芯片。

雖然現代計算機都已經是 APIC(高級可編程中斷控制器) 了，但是由於 8259a 芯片是那麼的經典，大部分描述外部中斷的文章都會用它來舉例。

每一片 8259a 可以提供 8 箇中斷輸入引腳，兩片芯片級聯在一起，就可以提供 15 箇中斷信號：

  1. 主片的輸出引腳 INT 連接到 CPU 的 INTR 引腳上;

  2. 從片的輸出引腳 INT 連接到主片的引腳 2 上;

這樣的話，兩片 8259a 芯片就可以向 CPU 提供 15 箇中斷信號了，比如：鼠標、鍵盤、串口、硬盤等等外設。

  1. 8259a 之所以稱作可編程，是因爲它的內部有相關的寄存器。

  2. 可以通過指定的端口號，對這些寄存器進行設置，讓 8 根 IRQ 中斷線上的信號，在送到 CPU 時，對應不同的中斷號。

另外，對於外部可屏蔽中斷，有 2 層的屏蔽機制：

  1. 在 8259 芯片中，有中斷屏蔽寄存器，可以對 IRQ0 ~ IRQ7 輸入引腳進行屏蔽;

  2. 在 CPU 內部，也有一個標誌寄存器，可以對某一類中斷信號進行屏蔽;

中斷號

在 x86 處理器中，一共支持 256 箇中斷，每一箇中斷都分配了一箇中斷號，從 0 到 255。

其中，0 ~ 31 號中斷向量被保留，用來處理異常和非屏蔽中斷 (其中只有 2 號向量用於非屏蔽中斷，其餘全部是異常)。

當 BIOS 或者操作系統提供了異常處理程序之後，當一個異常產生時，就會通過中斷向量表找到響應的異常處理程序，查找的過程馬上就會介紹到。

從中斷號 32 開始，全部分配給外部中斷。

比如：

  1. 系統定時器中斷 IRQ0，分配的就是 32 號中斷;

  2. Linux 的系統調用，分配的就是 128 號中斷;

我們來分別看一下內部中斷和外部中斷相關的中斷號：

對於通過 8259a 可編程中斷控制器接入的中斷信號分配如下圖所示：

剛纔已經說過，8259a 是可編程的，假如我們通過配置寄存器，把 IRQ0 的中斷號設置爲 32, 那麼主片上 IRQ1 ~ IRQ7 所對應的中斷號依次加 1，從片上 IRQ8~IRQ15 對應的中斷號也是依次遞增。

所以，有時候我們可以在代碼中斷看到下面的宏定義：

中斷向量和中斷處理程序

當一箇中斷髮生的時候，CPU 獲取到該中斷對應的中斷號，下一步就是要確定調用哪一個函數來處理這個中斷，這個函數就稱作中斷服務程序 (Interrupt Service Routine，ISR)，有時候也稱作中斷處理程序、中斷處理函數，本質都一樣。

中斷向，就是通過中斷號去查找處理程序的重要的橋樑！

中斷向量的本質

在 8086 中，一箇中斷向量，就是一個 段地址: 中斷處理函數偏移量 這樣的一對數據，通過這個數據，就可以定位到內存中指定位置的那個中斷處理函數。

非常類似於高級編程語言中的函數指針，就是用來指向一個函數的開始地址。

8086 規定：256 箇中斷向量，必須從內存的 0 地址處開始存放。

每一箇中斷向量佔用 4 個字節 (2 個字節的段地址，2 個字節的偏移地址)，256 箇中斷一共佔用了 1024 個字節的空間。

之前的文章中，已經介紹過相關的內存模型，如下圖所示：

如果把一箇中斷向量看作函數指針，那麼這個中斷向量表就相當於是函數指針數組。

舉例：

假設 2 號中斷被觸發了，CPU 就會到中斷向量表中查找 2 號中斷的中斷向量。

因爲每一箇中斷向量佔據 4 個字節，那麼 2 號中斷向量的開始地址就是 2 * 4 = 8，第 8 個字節。

然後在第 8 個字節開始，取 4 個字節的內容：0x1000:0x2000。

意思是：2 號中斷的處理函數，在段地址爲 0x1000，偏移量爲 0x2000 的位置處。

那麼 CPU 就按照 8086 的物理地址計算方式，得到中斷處理函數的物理地址爲 0x12000 (段地址左移 4 位 + 偏移地址)，於是就跳轉到該函數地址處去執行。

  1. 由於 Linux 系統是運行在保護模式，在這個模式下，當發生中斷時，是通過中斷描述符來查找中斷處理函數的。

  2. 每一箇中斷描述符，描述了一箇中斷處理函數所在段的選擇子和偏移量，本質上也是用來查找一箇中斷處理函數。

中斷處理程序的安裝

既然通過中斷向量，找到了中斷處理程序，那麼這些中斷處理程序都是誰放在內存中的呢？

如果您看過一些比較底層的計算機書籍，就能看到一般都會舉例：如何手動的把一個普通函數設置爲一箇中斷處理函數。

操作步驟是：

  1. 在代碼中，寫一個普通函數;

  2. 把這個函數的指令碼，搬運到內存中的某一個位置;

  3. 把這個位置 (段地址: 偏移量)，作爲一箇中斷向量，設置到中斷向量表中;

此時，如果發生了該中斷，你所提供的函數就作爲中斷處理函數被執行了。

當然了，在一個計算機系統中，BIOS、操作系統和各種外設，會自動爲我們提供很多基本的中斷處理函數的。

比如：BIOS 中就提供了軟中斷、內部中斷、硬件中斷等處理函數，這些函數是固化在 BIOS 的代碼中的 (映射到 BIOS 所在的 ROM 芯片上)，BIOS 只需要把這些處理函數的地址，寫入到中斷向量表中的相應位置即可。

在之前的文章中提到過，內存中的某些位置是映射到外設的 ROM，在這些外設的 ROM 中也存在一些外設自帶的程序。

BIOS 在啓動時，會掃描這些映射到外設的內存空間，通過某些關鍵字信息，如果發現外設有自帶的程序，就會去執行。

這些外設程序一般是進行一些自身的初始化，並填寫相關的中斷向量表，使它們指向外設自帶的中斷處理程序。

對於操作系統來說就更不用說了，它會重新安排自己需要的中斷處理函數，這部分內容我們以後再一起學習、討論！

中斷現場的保護和恢復

當一箇中斷髮生的時候，肯定有一個正在執行的程序被打斷。

當中斷處理函數執行結束之後，這個被打斷的程序需要從剛纔被打斷的地方繼續執行 (暫時先不要考慮從中斷返回點，進行多任務切換的事情)。

而一個程序執行的上下文環境，就是處理器中的各種寄存器內容：代碼段寄存器 cs，指令指針寄存器 sp，標誌寄存器 FLAGS。

但是，在中斷處理程序中，也需要使用這些寄存器。

處理器中的這些寄存器，就是每一個程序執行時上下文信息的存儲容器，當然也包括終端處理程序！

因此，在進入中斷處理程序之前，CPU 會自動的把這些寄存器 push 到棧中保存起來，然後再跳轉到中斷處理程序中去執行。

當中斷處理程序執行結束後，CPU 會從棧中彈出這些內容，恢復到相應的寄存器中，於是被打斷的程序就可以繼續執行了。

總結：中斷的本質

從功能的角度看，中斷有 2 個作用：

  1. 提供執行異步序列的機制；

  2. 給應用程序提供進入系統層的入口；

關於第 2 點，以後在介紹到 Linux 中的 int 0x80 中斷就非常清楚了，也就是通過中斷，讓應用層的程序有機會進入到系統代碼中去執行。

因爲應用層與操作系統層的代碼，是工作在不同的安全級別。

爲了系統的安全，Linux 操作系統提供了這樣的一個機制，讓低安全級別的應用程序，進入到高安全級別的操作系統代碼中去執行，畢竟所有的硬件等系統資源都是由操作系統來統一管理的。

我們再從中斷處理程序的安裝角度來看，中斷本質上就是增加了一層間接性：通過固定位置的中斷向量表，讓中斷處理函數的實際地址可以被動態的放在任意位置。

爲什麼這麼做？

假如操作系統想爲某一箇中斷提供處理函數，那麼這個處理函數的地址放在內存中的什麼位置比較合適?

需要考慮 CPU, 內存大小和佈局等多種因素，非常複雜！

而通過使用中斷向量表，就在一個固定位置處存放了很多個 “指針”。

當中斷處理函數放在內存中某個任意位置之後，讓 “指針” 指向這個函數的地址就可以了，從而達到解耦的目的。

這樣的話，無論是發生硬件中斷，還是應用層代碼通過中斷門來調用操作系統提供的函數，只要觸發相應的中斷就可以了，簡化了 CPU 的設計。

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