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    聊一聊CPU中斷技術

    2018-12-04供稿中心: 北大青鳥

    摘要:         一切是那么的順其自然。但理論上來說,播放電影的時候,CPU正在一絲不茍的執行著一條又一條的指令,它是如何在維持電影播放的情況下,及時接收并響應你的鍵盤輸入信息呢?
            一、什么是CPU中斷?
     
            使用計算機的過程中,經常會遇到這么一種情景:
     
            1. 你正在看電影
            2. 你的朋友發來一條QQ信息
            3. 你一邊回復朋友的信息,一邊繼續看電影
     
            這個過程中,一切是那么的順其自然。但理論上來說,播放電影的時候,CPU正在一絲不茍的執行著一條又一條的指令,它是如何在維持電影播放的情況下,及時接收并響應你的鍵盤輸入信息呢?
    什么是CPU中斷?
            這就是CPU中斷技術在起作用。
     
            CPU中斷技術的定義如下:
     
            計算機處于執行期間
            系統內發生了非尋?;蚍穷A期的急需處理事件
            CPU暫時中斷當前正在執行的程序而轉去執行相應的事件處理程序
            處理完畢后返回原來被中斷處繼續執行
     
            在這里,“非尋?;蚍穷A期的事件”指的就是你回復朋友的QQ時,用鍵盤鍵入信息。為了及時響應你鍵入的信息,CPU將正在執行的任務“播放電影”暫時中斷,處理完你鍵入的信息后,繼續執行“播放電影”的任務。由于這個“中斷當前任務->響應鍵盤輸入->繼續當前任務”的執行周期非常短(一般都是微秒級),所以一般人感覺不出來。
     
            舉個現實中的例子:
     
            你正在看書,突然你的朋友打來電話,于是你放下書本去接電話,電話打完接著看書。
     
            電話響->放下書本->接電話->繼續看書這一個過程,就類似于CPU中斷的處理過程。
             
            二、CPU中斷的作用
     
            早期的CPU處理外設的事件(比如接收鍵盤輸入),往往采用“輪詢”的方式。即CPU像個查崗的一樣輪番對外設順序訪問,比如它先看看鍵盤有沒被按下,有的話就處理,沒的話繼續往下看鼠標有沒有移動,再看看打印機……這種方式使CPU的執行效率很低,且CPU與外設不能同時工作(因為要等待CPU來“巡查”)。
     
            中斷模式時就是說CPU不主動訪問這些設備,只管處理自己的任務。如果有設備要與CPU聯系,或要CPU處理一些事情,它會給CPU發一個中斷請求信號。這時CPU就會放下正在進行的工作而去處理這個外設的請求。處理完中斷后,CPU返回去繼續執行中斷以前的工作。
     
            中斷模式的作用和優點在于:
     
            1. 可以使CPU和外設同時工作,使系統可以及時地響應外部事件。
     
            2. 可允許多個外設同時工作,大大提高了CPU的利用率,也提高了數據輸入、輸出的速度。
     
            3. 可以使CPU及時處理各種軟硬件故障(比如計算機在運行過程中,出現了難以預料的情況或一些故障,如電源掉電、存儲出錯、運算溢出等等。計算機可以利用中斷系統自行處理,而不必停機或報告工作人員。)
     
            三、CPU中斷的類型
     
            在計算機系統中,根據中斷源的不同,通常將中斷分為兩大類:
     
            1. 硬件中斷
            2. 軟件中斷
     
            硬件中斷
     
            硬件中斷又稱外部中斷,主要分為兩種:可屏蔽中斷、非屏蔽中斷。
     
            可屏蔽中斷:
     
            1. 常由計算機的外設或一些接口功能產生,如鍵盤、打印機、串行口等
            2. 這種類型的中斷可以在CPU要處理其它緊急操作時,被軟件屏蔽或忽略
     
            非屏蔽中斷:
     
            1. 由意外事件導致,如電源斷電、內存校驗錯誤等
            2. 對于這種類型的中斷事件,無法通過軟件進行屏蔽,CPU必須無條件響應
     
            在x86架構的處理器中,CPU的中斷控制器由兩根引腳(INTR和NMI)接收外部中斷請求信號。其中:
     
            1. INTR接收可屏蔽中斷請求
            2. NMI接收非屏蔽中斷請求
     
            典型事例:
     
            1. 典型的可屏蔽中斷的例子是打印機中斷,CPU對打印機中斷請求的響應可以快一些,也可以慢一些,因為讓打印機稍等待一會也是完全合理的。
     
            2. 典型的非屏蔽中斷的例子是電源斷電,一旦出現此中斷請求,必須立即無條件地響應,否則進行其他任何工作都是沒有意義的。
     
            軟件中斷
     
            軟件中斷又稱內部中斷,是指在程序中調用INTR中斷指令引起的中斷。比如winAPI中,keybd_event和mouse_event兩個函數,就是用來模擬鍵盤和鼠標的輸入(這個僅為筆者本人的猜測)。
     
            四、CPU中斷的過程
     
            中斷請求
     
            中斷請求是由中斷源向CPU發出中斷請求信號。外部設備發出中斷請求信號要具備以下兩個條件:
     
            1. 外部設備的工作已經告一段落。例如輸入設備只有在啟動后,將要輸入的數據送到接口電路的數據寄存器(即準備好要輸入的數據)之后,才可以向CPU發出中斷請求。
     
            2. 系統允許該外設發出中斷請求。如果系統不允許該外設發出中斷請求,可以將這個外設的請求屏蔽。當這個外設中斷請求被屏蔽,雖然這個外設準備工作已經完成,也不能發出中斷請求。
     
            中斷響應、處理和返回
     
            當滿足了中斷的條件后,CPU就會響應中斷,轉入中斷程序處理。具體的工作過程如下:
     
            1. 關閉中斷信號接收器
            2. 保存現場(context)
            3. 給出中斷入口,轉入相應的中斷服務程序
            4. 處理完成,返回并恢復現場(context)
            5. 開啟中斷信號接收器
     
            中斷排隊和中斷判優
     
            1. 中斷申請是隨機的,有時會出現多個中斷源同時提出中斷申請。
            2. CPU每次只能響應一個中斷源的請求。
            3. CPU不可能對所有中斷請求一視同仁,它會根據各中斷源工作性質的輕重緩急,預先安排一個優先級順序。當多個中斷源同時申請中斷時,即按此優先級順序進行排隊,等候CPU處理。
     
            了解了CPU中斷處理的過程,就不難理解下面一種常見的情景:
     
            正在拷貝文件時,往某個文本框輸入信息,這個文本框會出現短暫的假死,鍵盤輸入的數據不能及時顯示在文本框中,需要等一會兒才能逐漸顯示出來。
     
            這是因為該中斷操作(往文本框輸入信息)在中斷隊列的優先級比較低,或者CPU認為正在處理的操作(拷貝文件)進行掛起的代價太大,所以只有等到CPU到了一個掛起代價較低的點,才會掛起當前操作,處理本次中斷信息。
     
            五、多核CPU對中斷的處理
     
            多核CPU的中斷處理和單核有很大不同。多核的各處理器核心之間需要通過中斷方式進行通信,所以CPU芯片內部既有各處理器核心的本地中斷控制器,又有負責仲裁各核之間中斷分配的全局中斷控制器。
     
            現今的多核處理器在中斷處理和中斷控制方面主要使用的是APIC(Advanced Programmable Interrupt Controllers),即高級編程中斷控制器。它是基于中斷控制器兩個基礎功能單元——本地單元以及I/O單元的分布式體系結構。在多核系統中,多個本地和I/O APIC單元能夠作為一個整體通過APIC總線互相操作。
     
            APIC的功能有:
     
            1. 接受來自處理器中斷引腳的內部或外部I/O APIC的中斷,然后將這些中斷發送給處理器核心進行處理
            2. 在多核處理器系統中,接收和發送核內中斷消息
     

            對于外部設備發出的中斷請求,由全局中斷控制器接收請求并決定交給CPU的哪一個核心處理。也可針對APIC編程,讓所有的中斷都被一個固定的CPU處理。

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