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中断是现代 CPU 工作方式中至关重要的机制。它允许 CPU 在执行程序时暂停当前任务,立即响应某些事件或条件。例如,当你在键盘上敲击键盘时,CPU会被中断以便读取输入。这一过程速度极快,以至于用户通常不会察觉。
中断请求(IRQ)是由可编程中断控制器(PIC)发起的信号,目的是中断 CPU 并执行中断服务程序(ISR)。中断服务程序是一个小型程序,处理具体事件,其操作取决于中断的触发原因。正在运行的进程会在中断服务程序执行期间被暂停。
过去,中断控制器(PIC)独立处理中断请求,负责多个硬件设备的中断事件。然而,现代 CPU 内置了高级可编程中断控制器(APIC),每个核心都有自己的 APIC,独立管理中断请求。
中断可以根据其来源分为三种类型。
当硬件设备准备好提供数据时(如键盘按键或网络数据包到达),设备会发送中断请求(IRQ)。内核预先注册的中断服务程序(ISR)会被调用处理相关事件。
软件中断通过计时器实现,确保不同任务(如视频播放)能够同步运行。计时器会周期性地触发中断,管理任务的执行。
异常(Exception)是 CPU 在执行指令时遇到不可恢复错误时触发的中断。例如,除零错误或缺页错误会导致中断。异常可以进一步分为错误(可修复)、陷阱(用于调试)和终止(严重错误,终止进程)。
中断请求(IRQ)按优先级排序(0为最高优先级)。前32个中断由 CPU 管理,后续中断由 APIC 处理。中断描述表(IDT)记录中断请求和 ISR 的映射关系。要查看已注册的中断,可以执行命令:
cat /proc/interrupts
这将显示中断向量号、发生次数、硬件来源等信息。
中断是硬件、驱动和软件协同工作的基础。Linux 内核确保了中断处理的高效,用户通常察觉不到其存在。深入了解中断机制,可以参考《Linux Inside》和内核教程仓库。
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