中断及中断处理过程

1. 中断和异常的概念区别

Intel的官方文档里将中断和异常理解为两种中断当前程序执行的不同机制。这是中断和异常的共同点。不同点在于：

中断(interrupt)是异步的事件，典型的比如由I/O设备触发；异常(exception)是同步的事件，典型的比如处理器执行某条指令时发现出错了等等。

中断又可以分为可屏蔽中断和非可屏蔽中断，异常又分为故障、陷阱和异常中止3种，它们的具体区别很多书籍和官方文档都解释的比较清楚这里不再赘述。

关于它们的区别有两点是需要注意的：

1)平常所说的屏蔽中断是不包括异常的，即异常不会因为CPU的IF位被清(关中断，指令：cli)而受影响，比如缺页异常，即使关了中断也会触发CPU的处理。

2)通常说的int 80h这种系统调用使用的中断方式实际上硬件上是理解为异常处理的，因此也不会被屏蔽掉，这也很好理解，int 80h这种中断方式是程序里主动触发的，对于CPU来说属于同步事件，因此也就属于异常的范畴。

2. 中断(异常)处理过程

需要明确的一点是CPU对于中断和异常的具体处理机制本质上是完全一致的，即：

当CPU收到中断或者异常的信号时，它会暂停执行当前的程序或任务，通过一定的机制跳转到负责处理这个信号的相关处理程序中，在完成对这个信号的处理后再跳回到刚才被打断的程序或任务中。这里只描述保护模式下的处理过程，搞清楚了保护模式下的处理过程(更复杂)，实模式下的处理机制也就容易理解了。

具体的处理过程如下：

0)中断响应的事前准备：

系统要想能够应对各种不同的中断信号，总的来看就是需要知道每种信号应该由哪个中断服务程序负责以及这些中断服务程序具体是如何工作的。系统只有事前对这两件事都知道得很清楚，才能正确地响应各种中断信号和异常。

[a]系统将所有的中断信号统一进行了编号(一共256个：0～255)，这个号称为中断向量，具体哪个中断向量表示哪种中断有的是规定好的，也有的是在给定范围内自行设定的。

中断向量和中断服务程序的对应关系主要是由IDT(中断向量表)负责。操作系统在IDT中设置好各种中断向量对应的中断描述符(一共有三类中断门描述符：任务门、中断门和陷阱门)，留待CPU查询使用。而IDT本身的位置是由idtr保存的，当然这个地址也是由OS填充的。

[b]中断服务程序具体负责处理中断(异常)的代码是由软件，也就是操作系统实现的，这部分代码属于操作系统内核代码。也就是说从CPU检测中断信号到加载中断服务程序以及从中断服务程序中恢复执行被暂停的程序，这个流程基本上是硬件确定下来的，而具体的中断向量和服务程序的对应关系设置和中断服务程序的内容是由操作系统确定的。

1)CPU检查是否有中断/异常信号

CPU在执行完当前程序的每一条指令后，都会去确认在执行刚才的指令过程中中断控制器(如：8259A)是否发送中断请求过来，如果有那么CPU就会在相应的时钟脉冲到来时从总线上读取中断请求对应的中断向量[2]。

对于异常和系统调用那样的软中断，因为中断向量是直接给出的，所以和通过IRQ(中断请求)线发送的硬件中断请求不同，不会再专门去取其对应的中断向量。

2)根据中断向量到IDT表中取得处理这个向量的中断程序的段选择符

CPU根据得到的中断向量到IDT表里找到该向量对应的中断描述符，中断描述符里保存着中断服务程序的段选择符。

3)根据取得的段选择符到GDT中找相应的段描述符

CPU使用IDT查到的中断服务程序的段选择符从GDT中取得相应的段描述符，段描述符里保存了中断服务程序的段基址和属性信息，此时CPU就得到了中断服务程序的起始地址。

这里，CPU会根据当前cs寄存器里的CPL和GDT的段描述符的DPL，以确保中断服务程序是高于当前程序的，如果这次中断是编程异常(如：int 80h系统调用)，那么还要检查CPL和IDT表中中断描述符的DPL，以保证当前程序有权限使用中断服务程序，这可以避免用户应用程序访问特殊的陷阱门和中断门[3]。

4)CPU根据特权级的判断设定即将运行的中断服务程序要使用的栈的地址

CPU会根据CPL和中断服务程序段描述符的DPL信息确认是否发生了特权级的转换，比如当前程序正运行在用户态，而中断程序是运行在内核态的，则意味着发生了特权级的转换，这时CPU会从当前程序的TSS信息(该信息在内存中的首地址存在TR寄存器中)里取得该程序的内核栈地址，即包括ss和esp的值，并立即将系统当前使用的栈切换成新的栈。这个栈就是即将运行的中断服务程序要使用的栈。紧接着就将当前程序使用的ss,esp压到新栈中保存起来。

6)保护当前程序的现场

CPU开始利用栈保护被暂停执行的程序的现场：依次压入当前程序使用的eflags，cs，eip，errorCode(如果是有错误码的异常)信息。

官方文档[1]给出的栈变化的示意图如下：

7)跳转到中断服务程序的第一条指令开始执行

CPU利用中断服务程序的段描述符将其第一条指令的地址加载到cs和eip寄存器中，开始执行中断服务程序。这意味着先前的程序被暂停执行，中断服务程序正式开始工作。

8)中断服务程序处理完毕，恢复执行先前中断的程序

在每个中断服务程序的最后，必须有中断完成返回先前程序的指令，这就是iret(或iretd)。程序执行这条返回指令时，会从栈里弹出先前保存的被暂停程序的现场信息，即eflags,cs,eip重新开始执行。

一个完整的中断处理过程应该包括：中断请求、

中断排队或中断判优、中断响应、中断处

理和中断返回等环节，下面分别进行讨论。

1

．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。

2

．中断排队

中民申请是随机的，有时会出现多个中断源同时提出中断申请。但

CPU

每次只能响应

一断源的请求，

那么究竟先响应哪一个中断源的请求呢？这就必须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。一般是把最紧迫和速度最高的设备排在最优先的位置上。

CPU

首

先响应优先级别最高的中断源。当中断处理完毕，再响应级别低的中断申请。

中断排队可以采用硬件的方法，

也可以采用软件的方法。

前者速度快，

但需要增加硬设

备；后者无需增加硬设备，但速度慢，特别是中断源很多时尤为突出。

软件优用查询技术。当

CPU

响应中断后，就用软件查询以确定是哪些外设申请中断，

并判断它们的优先权。一个典型的软件优先权排队接口电路如

图

6

－

10

所示，图中把

8

个

外设的中断请求触发器组合起来，

作为一具端口，

并赋以设备号。

把各个外设的中断请求信

号相

“

或

”

后，作为

INTR

信号，故其中任一外设有中断请求，都可向

CPU

送出

INTR

信号。

当

CPU

响应中断后，把中断寄存器的状态作为一个外设读入

CPU

，逐位检测它们的状态，

若哪一位为

1

，则该位对应的外设有中断请求，应转到相应的服务程序的入口。其流程如图

6

－

11

所示。