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  • 软件中断
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    2022-03-31 13:59:13

    一、总结在前

    S.NOInterruptPolling
    1中断模式下,设备通知CPU有业务需要被处理polling模式下,CPU周期依序检查设备是否有业务需要处理
    2中断是一种硬件机制轮询是一种协议
    3由中断处理器直接服务各设备polling模式中,CPU服务各设备
    4设备可以在任何时候通过中断方式请求服务polling模式下,CPU定期轮询设备是否需要服务
    5设备通过中断线发起中断请求来请求服务设备置位 指令就绪 bit位,来告诉CPU需要服务
    6设备中断将打断当前CPU处理的进程轮询模式将浪费处理器周期,来检查设备是否需要服务

    二、中断

    中断可以理解为通知CPU立即采取某种行动的事件,例如通知CPU定时器超时等异常,例如通知接收到了网络上的数据包需要出来等。
    中断可能发生在任何时间。
    当中断发生时,CPU 暂停当前正在执行的任务,并执行相应的中断处理程序,这称为中断服务程序(ISR)。
    处理中断后,它切换回它正在执行的常规任务。

    2.1 硬件中断与软件中断

    2.1.1 对比

    SR.NO.Hardware InterruptSoftware Interrupt
    1硬件中断是外部设备或硬件产生的软件中断是系统内部产生
    2不增加程序计数器增加程序计数器
    3硬件中断可由外部设备调用,例如IO读写,硬件故障等软件中断需要调用INT指令
    4硬件中断是由外部硬件触发的,是与外围设备、硬件进行通信的方式之一。软件中断由软件触发,是与内核通信或触发系统调用的方式之一,例如错误或异常处理。
    5异步事件(对CPU来讲不知道什么时候发生,对其相应也是被动的)是同步事件(程序有意产生,是主动的同步的)
    7硬件中断可分为两种类型: 1. 可屏蔽中断。 2. 不可屏蔽中断。软件中断可分为两种类型: 1. 正常中断。 2. 例外
    8击键和鼠标移动是硬件中断的例子。所有系统调用都是软件中断的例子

    2.1.2 硬件中断

    硬件中断是由某些硬件设备引起的,设备一般连接到某中断线上,当需要中断时,通过在信号线上产生特定的电平,告知中断控制器有中断产生。随后中断控制器告知CPU。
    例如按下键盘上的某个按键就会触发一次中断。处理器根据对应的中断号确定是哪个设备产生的中断,并调用相应的中断处理程序。
    硬件中断也分为两种,可屏蔽中断和不可屏蔽中断。

    可屏蔽中断可以通过在中断屏蔽寄存器 (IMR) 的位掩码中设置一个位来忽略它。 不可屏蔽中断没有相关位掩码的硬件中断,因此它永远不能被忽略。

    可屏蔽中断有助于处理优先级较低的任务,例如键盘输入等;非屏蔽中断有助于处理更高优先级的任务,例如看门狗定时器、电源掉电等。

    2.1.3 软件中断

    软件中断是由处理器或执行程序中的异常情况引起的中断。 将一个数除以零会导致异常,这是一个软件中断。 而且,无限循环导致的无效变量和内存泄漏也会产生软件中断。

    三、polling

    polling即轮询模式,是一种软件协议。
    在轮询过程中,CPU周期性的依次询问每一个设备,是否有业务需要处理。
    每个设备有一个指令就绪bit位,这个bit位标识了设备是否需要处理器服务的状态。当这个状态位被置位,CPU将处理该设备上的指令。

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    首先介绍软件触发和硬件触发的区别 软件触发,需要你代码给出软件触发条件,占用cpu执行时间。 硬件触发,直接由硬件给出相关条件,不占用cpu执行时间。 相比较之下,硬件触发更具优势,软件触发需要程序控制...

    首先介绍软件触发和硬件触发的区别

    软件触发,需要你代码给出软件触发条件,占用cpu执行时间。
    硬件触发,直接由硬件给出相关条件,不占用cpu执行时间。
    
    相比较之下,硬件触发更具优势,软件触发需要程序控制(软件触发需要程序调用cpu去采集信息并判断是否满足触发条件)。

    硬件触发:数据采集卡被动等待触发信号,接收到信号后才进行数据采集;触发信号可由某个仪器在一定状态下发出。如有的自动测量系统中的高速数据卡就接收position controller发出的触发信号。而有的则依靠矢量网络分析仪接收外部触发信号。之所以能接收触发信号,和仪器的工作模式有关。硬件触发与数据采集卡有关。


    软件触发:通过软件主动查询信号或仪器当前状态,符合条件则控制系统采集信号。软触发有着更大的柔性,但系统整体速度和测量精度一般不如硬触发,特别是有着复杂信号处理模块的时候。软件触发会占用到一定的计算机资源。使用软件触发的话可以先设计一个查询程序,在规定的时间间隔里定时查询触发信号,如果有触发信号,则输出一个真值的布尔量,执行数据采集的分支,如果没有触发信号,则输出一个假值的布尔量,执行空分支。

    中断

    中断指当出现需要时,CPU暂时停止当前程序的执行转而执行处理新情况的程序和执行过程。即在程序运行过程中,系统出现了一个必须由CPU立即处理的情况,此时,CPU暂时中止程序的执行转而处理这个新的情况的过程就叫做中断。
    硬件中断

        硬件中断是一个异步信号, 表明需要注意, 或需要改变在执行一个同步事件.
        硬件中断是由与系统相连的外设(比如网卡 硬盘 键盘等)自动产生的. 每个设备或设备集都有他自己的IRQ(中断请求), 基于IRQ, CPU可以将相应的请求分发到相应的硬件驱动上(注: 硬件驱动通常是内核中的一个子程序, 而不是一个独立的进程). 比如当网卡受到一个数据包的时候, 就会发出一个中断.
        处理中断的驱动是需要运行在CPU上的, 因此, 当中断产生时, CPU会暂时停止当前程序的程序转而执行中断请求. 一个中断只能中断一颗CPU(也有一种特殊情况, 就是在大型主机上是有硬件通道的, 它可以在没有主CPU的支持下, 同时处理多个中断).
        硬件中断可以直接中断CPU. 它会引起内核中相关代码被触发. 对于那些需要花费时间去处理的进程, 中断代码本身也可以被其他的硬件中断中断.
        对于时钟中断, 内核调度代码会将当前正在运行的代码挂起, 从而让其他代码来运行. 它的存在时为了让调度代码(或称为调度器)可以调度多任务.

    软中断

        软中断的处理类似于硬中断. 但是软中断仅仅由当前运行的进程产生.
        通常软中断是对一些I/O的请求.
        软中断仅与内核相联系, 而内核主要负责对需要运行的任何其他进程进行调度.
        软中断不会直接中断CPU, 也只有当前正在运行的代码(或进程)才会产生软中断. 软中断是一种需要内核为正在运行的进程去做一些事情(通常为I/O)的请求.
        有一个特殊的软中断是Yield调用, 它的作用是请求内核调度器去查看是否有一些其他的进程可以运行.

    硬件中断和软中断的区别

        硬件中断是由外设引发的, 软中断是执行中断指令产生的.
        硬件中断的中断号是由中断控制器提供的, 软中断的中断号由指令直接指出, 无需使用中断控制器.
        硬件中断是可屏蔽的, 软中断不可屏蔽.
        硬件中断处理程序要确保它能快速地完成任务, 这样程序执行时才不会等待较长时间, 称为上半部.
        软中断处理硬中断未完成的工作, 是一种推后执行的机制, 属于下半部.

    一、概念

      软中断是利用硬件中断的概念,用软件方式进行模拟,实现宏观上的异步执行效果。很多情况下,软中断和"信号"有些类似,同时,软中断又是和硬中断相对应的,"硬中断是外部设备对CPU的中断","软中断通常是硬中断服务程序对内核的中断","信号则是由内核(或其他进程)对某个进程的中断"(《Linux内核源代码情景分析》第三章)。

      软中断的一种典型应用就是所谓的"下半部"(bottom half),它的得名来自于将硬件中断处理分离成"上半部"和"下半部"两个阶段的机制:上半部在屏蔽中断的上下文中运行,用于完成关键性的处理动作;而下半部则相对来说并不是非常紧急的,通常还是比较耗时的,因此由系统自行安排运行时机,不在中断服务上下文中执行。bottom half的应用也是激励内核发展出目前的软中断机制的原因。

      软中断是Linux系统原“底半处理”的升级,在原有的基础上发展的新的处理方式,以适应多CPU 、多线程的软中断处理。

      

      二、原因

      一般来说,软中断是由内核机制的触发事件引起的(例如进程运行超时),但是不可忽视有大量的软中断也是由于和硬件有关的中断引起的,例如当打印机端口产生一个硬件中断时,会通知和硬件相关的硬中断,硬中断就会产生一个软中断并送到操作系统内核里,这样内核就会根据这个软中断唤醒睡眠在打印机任务队列中的处理进程。

      三、代码的执行

      Linux中的软中断机制用于系统中对时间要求最严格以及最重要的中断下半部进行使用。在系统设计过程中,大家都清楚中断上下文不能处理太多的事情,需要快速的返回,否则很容易导致中断事件的丢失,所以这就产生了一个问题:中断发生之后的事务处理由谁来完成?在前后台程序中,由于只有中断上下文和一个任务上下文,所以中断上下文触发事件,设置标记位,任务上下文循环扫描标记位,执行相应的动作,也就是中断发生之后的事情由任务来完成了,只不过任务上下文采用扫描的方式,实时性不能得到保证。在Linux系统和Windows系统中,这个不断循环的任务就是本文所要讲述的软中断daemon。在Windows中处理耗时的中断事务称之为中断延迟处理,在Linux中称之为中断下半部,显然中断上半部处理清中断之类十分清闲的动作,然后在退出中断服务程序时触发中断下半部,完成具体的功能。

      在Linux中,中断下半部的实现基于软中断机制。所以理清楚软中断机制的原理,那么中断下半部的实现也就非常简单了。通过上述的描述,大家也应该清楚为什么要定义软中断机制了,一句话就是为了要处理对时间要求苛刻的任务,恰好中断下半部就有这样的需求,所以其实现采用了软中断机制。

      四、机制实现原理

      软中断机制的实现原理如图所示:

      五、核心元素

      构成软中断机制的核心元素包括:

      1、 软中断状态寄存器soft interrupt state(irq_stat)

      2、 软中断向量表(softirq_vec)

      3、 软中断守护daemon

      当某一软中断事件发生后,首先需要设置对应的中断标记位,触发中断事务,然后唤醒守护线程去检测中断状态寄存器,如果通过查询发现有软中断事务发生,那么通过查询软中断向量表调用相应的软中断服务程序。这就是软中断的过程,与硬件中断唯一不同的地方是从中断标记到中断服务程序的映射过程。在CPU的硬件中断发生之后,CPU需要将硬件中断请求通过向量表映射成具体的服务程序,这个过程是硬件自动完成的,但是软中断不是,其需要守护线程去实现这一过程,这也就是软件模拟的中断,故称之为软中断。

      一个软中断不会去抢占另一个软中断,只有硬件中断才可以抢占软中断,所以软中断能够保证对时间的严格要求

     

    软中断和硬中断的主要区别:

      硬件中断会主动打断另一种活动,触发硬件中断会导致(立即)打断正在运行的活动(这只有当前允许中断触发时才成立);

      相反,软件中断要由一种内核活动调度它执行,它必须一直等到调度程序调度自己为止。

    问题解答:

     1. 问:对于软中断,I/O操作是否是由内核中的I/O设备驱动程序完成?

        答:对于I/O请求,内核会将这项工作分派给合适的内核驱动程序,这个程序会对I/O进行队列化,以可以稍后处理(通常是磁盘I/O),或如果可能可以立即执行它。通常,当对硬中断进行回应的时候,这个队列会被驱动所处理。当一个I/O请求完成的时候,下一个在队列中的I/O请求就会发送到这个设备上。

    2. 问:软中断所经过的操作流程是比硬中断的少吗?换句话说,对于软中断就是:进程 ->内核中的设备驱动程序;对于硬中断:硬件->CPU->内核中的设备驱动程序?

    答:是的,软中断比硬中断少了一个硬件发送信号的步骤。产生软中断的进程一定是当前正在运行的进程,因此它们不会中断CPU。但是它们会中断调用代码的流程。

    如果硬件需要CPU去做一些事情,那么这个硬件会使CPU中断当前正在运行的代码。而后CPU会将当前正在运行进程的当前状态放到堆栈(stack)中,以至于之后可以返回继续运行。这种中断可以停止一个正在运行的进程;可以停止正处理另一个中断的内核代码;或者可以停止空闲进程。

     

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  • CPU中断的本质及分类,介绍硬件中断、软件中断、异常的含义

    1. 中断的由来

    1956年,ERA 1103A计算机系统引入了中断(interrupt)机制。

    ERA 1103A用于接收、处理风洞试验数据,再将数据处理结果返回给风洞,如此循环往复。但风洞数据的准备时间比较长,ERA 1103A只能处于等待状态,这段时间被白白的浪费掉了。为了提高ERA 1103A的利用率,其引出了一条中断线,在等待风洞数据的这段时间运行其他程序,当风洞数据到来的时通过中断线告知ERA 1103A停止当前工作去接收风洞数据。

    以上就是最初的中断设计原型。

    ERA 1103A计算机系统

    2. 中断分类

    现代处理器的中断概念变得越来越广泛,已经不仅仅局限于外部设备中断。
    中断存在的意义是CPU控制外部设备的同时,外部设备也可以高效的“控制CPU”。发展至今,这种设计思想扩展到了外部硬件控制CPU、软件控制CPU、CPU运行管理等三个方面。
    因此,使用events事件来表示则更加的贴切实际,但在平时描述中,基本上仍然采用了中断这个词。

    events的分类如下图所示,主要包括中断和异常,外部硬件控制CPU对应hardware interupt,软件控制CPU对应software interrupt,CPU运行管理则对应exception

    2.1 hardware interrupt

    硬件中断是我们平时接触的最多的一类event,比如鼠标、键盘、网卡等等都可以产生硬件中断。因为CPU并不知道外部硬件设备何时产生硬件中断请求,也不会提前获知产生硬件中断的前提,因此,硬件中断属于异步event。

    CPU和外部IO设备通过一根或多根硬件连线进行硬件中断信号的传递。这种硬件连线可以在SoC内部实现,也可以在外部PCB板上实现。

    当CPU内部集成了中断控制器IP之后,各个IO设备的中断信号线可以在SoC内部连接到中断控制器。例如非常常见的ARM GIC,当然,它不仅可以处理外部IO设备的硬件中断,也可以处理CPU内部之间硬件中断。其内部结构如下图所示:

    内部GIC

    外部IO设备可以通过中断控制芯片连接到CPU,该类芯片通常称之为PIC。

    此类中断控制芯片中最具有代表性的应该是Intel 8259,在微机原理课程中就能找到它的影子。

    Intel 8259 PIC

    它是为Intel 8085和Intel 8086微处理器设计的可编程中断控制器(PIC)。8259将多个中断输入源组合成一个到主微处理器的单一中断输出,将系统中可用的中断级别扩展到处理器芯片上的一个或两个级别之外。在如今高性能GIC中,仍然可见这种分层次、可扩展的中断架构设计理念。

    2.2 software interrupt

    假设操作系统阻止非特权代码直接访问系统资源,那么应用程序如何访问这些受保护的资源呢?此时,软件中断就可以实现这一目的。当一个应用软件终止或者它向操作系统请求一些服务时,软件中断就会发生。如果说在软件代码中包含了系统调用,那么可以将software interrupt理解为同步事件。

    当CPU接收到一个软件中断信号时,它可能会暂时将控制切换到一个中断处理程序程序,并且内核中被中断挂起的进程(例如,一个程序的运行实例)将在中断被接受后恢复。

    应用程序基于系统调用完成应用层和操作系统内核之间的通信,实现对CPU的控制。

    2.3 异常

    CPU异常发生在各种错误的情况下,例如当访问无效的内存地址或除零时,为了对它们作出反应,产生了异常处理机制。不同架构的处理器对异常类型的定义有所不同,但核心思想是CPU工作过程遇到了不被允许的错误或者强制停止指令等,我们可以将异常做如下分类。

    对于Faults异常,通常不影响软件代码的继续运行,此类异常主要包括:

    • 除0操作
    • 无效操作码
    • 设备不可用

    对于Traps异常,比较常见的就是JTAG debug。当CPU收到了debug指令后,会进入到异常模式。此类异常主要包括:

    • 断点
    • 溢出s
    • 调试指令

    对于Abort异常,比较常见的就是取指异常,当我们从RAM中没有正确的获取到待执行指令时,CPU进入到Abort异常。此类异常主要包括:

    • 访存错误
    • 总线错误
    • cache错误
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    一、指代不同

    1、硬件中断:指向量中断,即中断源的识别标志,可用来存放中断服务程序的入口地址或跳转到中断服务程序的入口地址。

    2、软件中断:指软中断,是利用硬件中断的概念,用软件方式进行模拟,实现宏观上的异步执行效果。

    二、中断方式不同

    1、硬件中断:每个中断向量分配4个连续的字节单元,两个高字节单元存放入口的段地址CS,两个低字节单元存放入口的段内偏移量IP。

    2、软件中断:上半部在屏蔽中断的上下文中运行,用于完成关键性的处理动作;而下半部则相对来说并不是非常紧急的,通常还是比较耗时的,因此由系统自行安排运行时机,不在中断服务上下文中执行。

    在这里插入图片描述
    三、特点不同

    1、硬件中断:在AVR或ARM微处理器中,中断向量的大小也是4个字节,但其中存放的不是中断程服务程序的入口地址,而是可执行的代码。

    2、软件中断:是linux系统原“底半处理”的升级,在原有的基础上发展的新的处理方式,以适应多cpu 、多线程的软中断处理。

    硬件中断时通过中断请求线输入信号来请求处理机;软件中断是处理机内部识别并进行处理的中断过程。硬件中断一般是由中断控制器提供中断码类型,处理机自动转向中断处理程序;软件中断完全有处理机内部形成中断处理程序的入口地址并转向中断处理程序的入口地址,并转向中断处理程序,不需要外部提供信息。

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