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  • 中断和中断处理程序

    千次阅读 2015-04-09 21:28:59
    处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上,因此,如果内核采取让处理器向硬件发出一... 硬件设备生成中断的时候并不考虑与处理器的时钟同步——也就是说中断随时可以产生。内核随时可能因为新到来的中断

    处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上,因此,如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求,然后专门等待回应的方法,显然差强人意;轮询虽然能够解决这个问题,但会周期性地重复执行。更好的办法是让硬件在需要的时候向内核发出信号(变内核主动为硬件主动),这就是中断机制。

    6.1 中断
    硬件设备生成中断的时候并不考虑与处理器的时钟同步——也就是说中断随时可以产生。内核随时可能因为新到来的中断而被打断。从物理学的角度看,中断是一种电信号,由硬件设备生成,并直接送入中断控制器的输入引脚。然后由中断控制器向处理器发送相应的信号。
    不同的设备对应的中断不同,而每个中断都通过一个唯一的数字标识。这些中断值通常被称为中断请求(IRQ)线。
    异常
    异常与中断不同,它在产生时必须考虑与处理器的同步。实际上异常也常常被称为同步中断。在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令的时候,或者是在执行期间出现特殊情况(例如缺页),必须靠内核来处理的时候,处理器就会产生一个异常。
    因为许多处理器体系结构处理异常与处理中断的方式类似,因此,内核对它们的处理也很类似。我们已经熟悉一种特殊的异常:系统调用处理程序异常。 中断的工作方式与之类似,其差异只在于中断是由硬件而不是软件引起的。
    6.2 中断处理程序
    在响应一个特定中断的时候,内核会执行一个函数,该函数叫做中断处理程序或中断服务例程(interrupt service routine,ISR)。产生中断的每一个设备都有一个(中断处理程序通常不是和特定设备相关联,而是和特定中断相关联,也就是说,若一个设备可以产生多种不同的中断,那么该设备就可以对应多个中断处理程序,相应的,该设备的驱动也就需要准备多个这样的函数。)相应的中断处理程序。一个设备的中断程序是它设备驱动程序的一部分——设备驱动程序是用于对设备进行管理的内核代码。
    在Linux中,中断处理程序看起来就是普普通通的C函数。只不过这些函数必须按照特定的类型声明,以便内核能够以标准的方式传递处理程序的信息。中断处理程序与其它内核函数的真正区别在于:中断处理程序是被内核调用来响应中断的,而它们运行于我们称之为中断上下文的特殊上下文中。
    上半部与下半部的对比
    通常我们把中断处理切为两个部分或两半。中断处理程序是上半部——接收到一个中断,它就立即开始执行,但只做有严格时限的工作,这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成。能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部去。在合适的时机,下半部会被开中断执行。
    6.3 注册中断处理程序
    中断处理程序是管理硬件的驱动程序的组成部分。每个设备都有相关的驱动程序,如果设备使用中断,那么相应的驱动程序就注册一个中断处理程序。驱动程序可以通过下面的函数注册并激活一个中断处理程序。 int request_irq( unsigned int irq,
    irqrequest_t(handler)( int, void , struct pt_regs *),
    unsigned long irqflags,
    const char * devname,
    void *dev_id)
    (1)第一个参数irq表示要分配的中断号。
    (2)第二个参数handler是一个指针,指向处理这个中断的实际中断处理程序。
    (3)第三个参数irqflags可以为0,也可能是下列一个或多个标志的位掩码:SA_INTERRUPT:此标志表明给 定的中断处理程序是一个快速中断处理程序。SA_SAMPLE_RANDOM:此标志表明这个设备产生的中断对 内核熵池有贡献。SA_SHIRQ:此标志表明可以在多个中断处理程序之间共享中断线。
    (4)第四个参数devname是与中断相关的设备的ASCII文本表示法(设备名)。这些名字会被/proc/irq和proc/interrupt文件使用,以便与用户通信。
    (5)第五个参数 dev_id主要用于共享中断线。用于区分共享中断线上的各个中断处理程序。内核每次调用中断处理程序时,都会把这个指针传递给它。实践中往往会通过它传递驱动程序的设备结构:这个指针是唯一的,而且有可能在中断处理程序内及设备模式中被用到。注意,request_irq()函数可能会睡眠,因此,不能在中断上下文或其他不允许阻塞的代码中调用该函数。一个例子:
    if(request_irq(irqn, my_interrupt, SA_SHIRQ, “my_device”, dev))
    {
    printk(KERN_ERR “my_device: cannot register IRQ %d\n”, irqn); return -EIO;
    } 该例子中我们用dev_id传递dev结构体(通常情况下均取该值)。
    释放中断处理程序
    卸载驱动程序时,需要注销相应的中断处理程序,并释放中断线。调用void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)来释放中断线。如果指定的中断线不是共享的,则仅删除dev_id所对应的处理程序,而这条中断线本身只有在删除了最后一个处理程序时才会被禁用。不管在那种情况下,如果dev_id非空,它都必须与需要删除的处理程序相匹配。
    6.4 编写中断处理程序
    一个典型的中断处理程序声明: static irqreturn_t intr_handler(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) 注意,它的类型与request_irq()参数中handler所要求的参数类型相匹配(在前面我没已经看到,handler函数有一个类型为 irqreturn_t的返回值)。dev_id是一个通用的指针,它与在中断注册时传递给request_irq()的参数dev_id必须一致。 dev_id也有可能指向中断处理程序使用的一个数据结构,对每个设备而言,设备结构都是唯一的,而且可能在中断处理程序中也用的到,因此,也通常会把设备结构传递给dev_id。 中断处理程序的返回值是一个特殊类型:irqreturn_t。它可能返回两个特殊的值:IRQ_NONE和IRQ_HANDLED。当中断处理程序检测到一个中断,但该中断对应的设备并不是在注册处理函数期间指定的产生源时,返回IRQ_NONE;当中断处理程序被正确调用,且确实是它所对应的设备产生了中断时,返回IRQ_HANDLED。
    6.4.1 共享的中断处理程序
    共享的处理程序与非共享的处理程序在注册和运行方式上比较相似,但差异主要有以下几点:
    (1)request_irq()的参数flags必须设置SA_SHIRQ标志。
    (2)对每个注册的中断处理程序来说,dev_id参数必须唯一。而指向任一设备结构体的指针就可以满足这一要求;通常会选择设备结构,因为它是唯一的,而且中断处理程序可能会用到它。
    (3)中断处理程序必须能够区分它的设备是否真的产生中断。这既需要硬件支持,也需要处理程序中有相关的处理逻辑。(大多数硬件设备提供状态寄存器或类似机制,以便中断处理程序进行检查)
    6.5 中断上下文
    当执行一个中断处理程序或下半部时,内核处于中断上下文中。让我们先回忆一下进程上下文。进程上下文是一种内核所处的模式,此时内核代表进程执行——例如,执行系统调用或运行内核线程。在进程上下文中,可以通过current宏关联当前进程。中断上下文和进程并没有什么瓜葛。与current宏也是不相干的(它此时指向被中断的进程)。中断上下文不可以睡眠。如果一个函数睡眠,就不能在中断处理程序中使用——这是对什么样的函数可以在中断处理程序中使用的限制。
    中断上下文有较为严格的时间限制,因为它打断了其他代码。中断上下文中的代码应当迅速简洁,尽量不要使用循环去处理繁重的工作。请永远牢记:中断处理程序打断了其他的代码(甚至可能是打断了在其他中断线的另一个中断处理程序)。尽量把工作从中断处理程序中分离出来,放在下半部来执行,因为下半部可以在更合适的时间运行。写中断处理程序时不必关心栈如何设置,或者内核栈的大小是多少。总而言之,尽量节约内核栈空间。
    6.6 中断处理机制的实现
    中断处理系统在Linux中的实现是非常依赖于体系结构的。实现依赖于处理器、所使用的中断控制器的类型、体系结构的设计及机器本身。设备产生中断,通过总线把电信号发送给中断控制器。如果中断是激活的,那么中断控制器就会把中断发往处理器。在大多数体系结构中,这个工作就是通过电信号给处理器的特定管脚发送一个信号,处理器会立即停止它正在做的事情,关闭中断系统,然后跳转到内存中预定义的位置开始执行那里的代码。这个预定以的位置是内核设置的,是中断处理程序的入口点。 在内核中,中断的旅程开始于预定义入口点,这类似于系统调用通过预定义的异常句柄进入内核。对于每一个中断线,处理器都会跳到对应的一个唯一的位置。至此,内核知道了所接受的中断的IRQ号。初始入口点只是在栈中保存这个号,并存放当前寄存器的值(这些值属于被中断的任务),然后,内核调用函数 do_IRQ()。

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  • 中断机构和中断处理程序

    千次阅读 2018-12-29 18:06:32
    什么是中断? 中断实际上是对信号做出的一种反应, 即CPU对I/O设备发来的中断信号的一种反应。是由外部设备引起的。俗称外中断。 在此插一嘴什么是陷入?...中断处理程序位于I/O系统的底层,直接与硬件进行交...

    什么是中断

    中断实际上是对信号做出的一种反应,
    即CPU对I/O设备发来的中断信号的一种反应。是由外部设备引起的。俗称外中断

    在此插一嘴什么是陷入

    陷入是特殊的中断,因为陷入是由CPU内部事件引起的中断,俗称内中断

      中断 陷入
    相同 信号的处理流程
    不同 信号的来源

    什么是中断处理程序

    中断处理程序位于I/O系统的底层,直接与硬件进行交互

    怎么操作?

    先中断硬件,然后中断处理程序,首先保存被中断进程的CPU环境,然后转向相应设备的中断处理程序进行处理,处理完成,恢复被中断进程的CPU环境,返回断点继续运行。

    形象到生活中去:

    你的朋友约定好向你发出三长两短的敲门信号(中断信号),而你听到敲门声后就知道这是你的朋友来了,于是停下手头的工作(中断进程的CPU环境),开门端茶倒水,会客流程走起(中断处理程序进行处理),朋友走后,继续进行手头的工作(恢复被中断进程的CPU环境,返回断点继续运行)

    为什么说中断信号是实现多道程序的基础?

    因为进程之间的切换时通过中断来完成的

    啥是中断向量表

    每种设备映射一个中断处理程序,
    把程序的入口地址放在中断向量表的表项中去,
    为每一个设备的中断请求设规定一个中断信号

    每一个房间都有一个钥匙,把钥匙都收拾到一起,放到钥匙柜里,然后列一张表格,表格里有那个钥匙对应那个房间,和那个钥匙在钥匙柜里的位置,如果想打开某个房间,就根据表格找到钥匙,然后把门打开。

    多个中断信号,但是根据中断信号的要紧程度的不同来划分出中断的优先级,恩,很合理

    以上分别介绍了有关中断的一些名词的概念。

    下面,我们来看看对多中断源的处理方式。

    这个话题牵扯到两种处理方式:

    屏蔽(禁止)中断
    嵌套中断

    我们接着回到之前的场景,你的好基友拜访你要和你游戏开黑,正当你们打得火热的时候,你的女朋友突然给你打电话要你陪她去看电影(此处没女朋友的可以想象出一个女朋友 /滑稽),但是作为直男的你毅然决然地选择了朋友,没有什么能将你的注意力从游戏上移开。。。。最后,你的基友走了,留你怅然若失地在家里,你这才想到你的女朋友,然后个她去看电影

    分析以上情景,在朋友发来中断过请求后,对于在这之后发来的任何中断请求都不予理睬,这个就是屏蔽中断

    我们再看,还是这个场景,你的好基友拜访你要和你游戏开黑,正当你们打得火热的时候,你喜欢的女生突然给你打电话要你陪她去看电影,爱情来的就是那么突然,但是你要去了游戏怎么办,游戏重要还是爱情重要?为了你的后半生,你选择了爱情,挂机让你的朋友孤军奋战。在看过电影之后,你又回家继续打游戏 。(果然还是直男,说看电影就只看电影)

    分析以上场景,在比较过基友的中断和女友的中断请求之后,显然女友的中断优先级要高于基友的中断优先级,你选择了陪女友,但是你并没有忘记朋友,于是你陪玩女友后又接着陪基友。这样的中断称为嵌套中断。有点像抢占式优先调度算法。

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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  • 8086中断处理程序分析

    千次阅读 2017-09-02 14:50:41
    中断处理程序的入口地址,即中断向量必须存储在对应的中断向量表表项中,通俗的讲就是中断处理程序的地址放在一块内存中,这块存储中断处理程序的入口的地址空间叫中断向量表,而实际地址就叫中断向量

    中断程序介绍,

    中断处理程序:由于cpu随时检测程序的中断信息,也就是执行中断程序,所以中断程序必须存储在内存某个段空间中

    而中断处理程序的入口地址,即中断向量必须存储在对应的中断向量表表项中,通俗的讲就是中断处理程序的地址放在一块内存中,这块存储中断处理程序的入口的地址空间叫中断向量表,而实际地址就叫中断向量

    中断处理程序的编写方法和子程序比较相似,下面是常规步骤(中断过程):

    1保存用到的寄存器

    2处理中断

    3恢复用到的寄存器

    4用iret指令返回



    iret指令

    iret指令功能用汇编语言描述如下:

    pop ip

    pop cs

    popf  从栈顶弹出数据(之前保存的标志寄存器数据)送人标志寄存器

    iret通常和硬件自动完成的中断过程配合使用,可以从上面看出中断过程中,寄存器的入栈顺序为,标志寄存器,cs,ip,刚好对应实现了用执行中断处理程序前的cpu现场恢复标志寄存器和cd,ip的工作,iret执行后,cpu回到执行中断处理程序前的执行点继续执行程序


    举例0号中断处理过程,

    当发生除法溢出时,产生0号中断信息,从而引发中断,此时PCU进行以下工作

    1取得中断类型码0

    2标志寄存器入栈,TF,IF设置为0

    3cs.ip入栈

    4(ip)=(中断类型码0*4),(cs)=(中断类型码*4+2)

    8086cpu内存指定内存0000:0000——0000:03FF这1KB地址空间是系统存放中断处理程序入口地址的中断向量表,一般情况下,0000:0200——0000:02FF这256个字节空间所对应的中断向量表都是空的,操作系统和应用都不占用

    中断向量表有1kB空间,8086CPU中断类型有256,每个中断占4个字节,保存中断程序的地址,



    单步中断:DEBUG

    CPU在执行完一条指令后,如果检测到标志寄存器的TF位为1,则产生单步中断,引发中断,单步中断的类型码为1,它的中断过程如下:

    1取得中断类型码为1

    2标志寄存器入栈,TF,IF设置为0

    3cs,IP入栈

    4(IP)=(N(N等于中断类型码,单步中断类型码为1)*4)  CS=(N*4+2)这是计算中断程序地址放在那一块内存保存,CS放在高位,IP放在低位



    int指令

    int指令:另一种内中断,由int指令引发的内中断

    int格式:int n  n为中断类型码,它的功能是引发中断过程

    1取中断类型码n

    2标志寄存器入栈,IF=0,TF=0

    3 CS:IP入栈

    4 (IP)=(n*4) (cs)=(n*4+2)

    通过中断类型码索引到存在中断程序cs:ip的中断向量表的位置


    BIOS中断例程

    int 10h中断例程是BIOS提供的中断例程,其中包含了多个和屏幕输出相关的子程序,一般来说,一个中断例程有多个子程序,中断例程内部通过传递进来的参数来决定调用那个子程序,BIOS和DOS提供的中断例程,都用ah来传递内部子程序的编号

    例子:

    int 21h中断例程是DOS提供的中断例程,其中包含了DOS提供给程序员在编程时调用的子程序

    mov ah,4ch

    mov al,0

    int 21h 调用21h中断例程中ah=41h编号的子程序,这个子程序功能是程序返回,al时返回值






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  • 中断处理程序的设计

    千次阅读 2018-10-03 20:51:32
    在嵌入式系统的设计中,与外设...与数据收发相关的中断,中断处理程序与外部程序(操作系统和应用程序)之间的数据交换方式的设计是中断处理程序设计的一个关键部分,直接影响系统的工作效率,甚至是一些偶发性故障...

    在嵌入式系统的设计中,与外设交互,基本是两种模式:轮询和中断。考虑到CPU与外设之间的速度差,如果涉及到与外设通信,一般采用中断的方式:只有当外设完成了数据发送或者接收,才中断CPU,获得处理,这样可以保证CPU的处理效率最高。

    与数据收发相关的中断,中断处理程序与外部程序(操作系统和应用程序)之间的数据交换方式的设计是中断处理程序设计的一个关键部分,直接影响系统的工作效率,甚至是一些偶发性故障的原因。

    数据交换的主要考虑的因素有:数据完整性(保证数据不丢失)、交换的效率(尽量减少CPU的参与)、执行效率(中断处理程序的执行应尽量保证时间短)、异常数据丢弃的效率(尽可能在离入口近的位置丢弃异常数据)。其中数据完整性经常会被忽视,中断处理程序的不恰当导致的数据丢失经常会与通信干扰导致的数据丢失相混淆,从而掩盖了真正的问题。

    本文主要探讨中断处理程序与外部程序之间的数据交互的方式及其优缺点。

    FIFO结构缓存

    这是一种最简单直观的数据交互方式,采用循环Buffer作为缓存,主要用于数据接收。其结构如下:

    循环Buffer有一个起始位置Start和一个结束位置End,当指针移动到End以后,自动回到Start位置。关于循环Buffer的具体实现,网上有很多详细资料,此处就不赘述。

    应用到中断的接收处理中,中断处理程序作为该FIFO的数据生产者,操作写指针WritePointer,将接收到的数据写入该缓存;外部程序作为该FIFO的数据消费者,操作读指针ReadPointer,将数据从缓存中读出,进行处理。外部程序必须保证读指针不超越写指针,以防止读出不正确的数据。简单的处理伪代码如下:

    Interrupt Handler:

    {

      ...

      FifoBuffer[WritePointer] = DataRegister;

      WriterPointer++;

      if(WriterPointer > End) WriterPointer = Start;

      ...

    }

    Application:

    {

      ...

      AppBuffer[bufPointer] = FifoBuffer[ReadPointer];

      bufPointer++;

      ReadPointer++;

      if(ReadPointer > End) ReadPointer = Start;

      Lock_CPU();

      if(ReadPointer == WritePointer) {

        unLock_CPU();

        Stop;

      }

      unLock_CPU();

      ...

    }

    在采用该方法时,实际上隐含着一个假设:写指针永远不会追上读指针,也就是不会发生循环Buffer溢出的情况。为了满足这个要求,一方面外部程序必须保证读处理应该以合适的频度得到执行;另外,在设计时,循环Buffer保证有足够的长度。

    从上面的实现可以看出,中断处理程序只负责将接收到的数据放入FIFO中,处理简单,占用时间少;但外部程序必须频繁地检查FIFO以确保新收到的数据得到及时处理;数据包的识别、数据的检查和拷贝也都需要外部程序负责,处理负担较重。同时为了保证数据不丢失,就必须满足上述隐含条件。

     

    消息传递

    在嵌入式系统中,不同任务之间,经常采用一种消息机制来进行数据传输。所有的嵌入式操作系统,都提供了相应的机制,如RTX的MailBox。基本的思路就是将需要发送的数据放入公共的内存中(在嵌入式系统中,实际上就是全局变量),然后通过邮箱将指针传递给接收方。

    在中断处理程序和外部程序之间,也可以采用这种机制传递接收到的数据。为了提高传递的效率,一般需要中断处理程序识别出一个完整的数据包,以一次传递一个数据包的形式进行。简单的处理伪代码如下所示:

     

    Interrupt Handler:

    {

     ...

    msgSendBuffer = Get_Message_Buffer();

    CopyDataToBuffer(InternalBuffer, msgSendBuffer);

    Send_MailBox(DestinationMailBox, msgSendBuffer);

    ...

    }

     

    Application:

    {

    ...

    Receive_MailBox(WaitMailBox, msgRcvBuffer);

    ...

    }

     

    采用这种方式,可以简化外部处理程序的实现,以一种统一的处理消息的方式来实现对来自中断和其他任务的数据。对接收到的数据的处理,中断处理程序侧需要识别出一个完整的数据包,并将它拷贝到消息缓存中,对数据包合法性的检查可以由中断执行,也可以由外部程序执行。因此,中断处理程序的任务较多,而外部Task则相对简单。

    在这种方式中,同样有一个隐含的条件:必须保证消息缓存肯定能申请到,否则将导致整个数据包的丢失。另外,如果消息缓存与外部任务用的缓存采用同一套机制的话,外部任务的缓存申请可能延迟中断的缓存申请,影响中断处理的效率。为了解决这个问题,常常为中断与外部传输准备专用的缓存。

     

    缓存区交换

    在中断处理程序中的数据拷贝是一件比较耗时的工作,往往会阻塞其他中断处理程序和应用程序,严重时导致异常发生。因此在中断处理中避免拷贝,是提高效率的捷径。如果能够同时与DMA等的使用相结合,能够显著解放CPU的负担,提高整个系统的运行效率。

    缓存区交换是对消息传递的一种改进,中断处理程序与外部应用程序之间还是采用消息传递的机制,但在中断处理程序中不再需要申请缓存,而是直接使用外部应用程序预先申请好的缓存;而预先申请缓存,在中断需要使用缓存时保证已经准备好则是外部应用程序的责任。

    基本处理流程如下所示:

    该方法如果与DMA结合使用,接收数据的动作将由硬件自动完成,大大减少对CPU的中断次数,可以大大提供处理效率。

     

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  • 应用程序中断处理

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中断处理后如何返回程序