Linux中斷，本質(zhì)到底是什么？
在軟件開(kāi)發(fā)中，中斷是一個(gè)繞不開(kāi)的重要話題，但是，不知道您是否遇到過(guò)這樣的困惑：
很多書(shū)籍、文章在介紹中斷相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，說(shuō)的都挺有道理。
這篇文章對(duì)中斷的講解很正確，那篇文章在描述中斷的時(shí)候也挺對(duì)的，但是，這兩篇文章中，怎么有些內(nèi)容是矛盾的??？！
單獨(dú)看任何一篇文章感覺(jué)都有道理，看的越多，反而越迷糊？
好比在森林里迷路了，如果只有一個(gè)指南針，肯定能走出來(lái)。
但是，如果你有 2 個(gè)指南針，所指的方向卻是相反的，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該相信誰(shuí)呢？！
我們仔細(xì)梳理了一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)：每一篇文章都是在一定的語(yǔ)境、一定的上下文環(huán)境中來(lái)講解的，不同文章的矛盾之處，恰恰是它們所描述的那個(gè)上下文大環(huán)境不同。
上下文環(huán)境，就是描述當(dāng)前正在執(zhí)行的程序相關(guān)的靜態(tài)信息，比如：有哪些代碼段，?？臻g在哪里，進(jìn)程描述信息在什么位置，當(dāng)前執(zhí)行到哪一條指令等等。
如果我們沒(méi)有一個(gè)全局的視角，在同一個(gè)上下文環(huán)境中來(lái)對(duì)比不同的文章，就會(huì)讓自己的理解和認(rèn)識(shí)越來(lái)越蒙圈。
因此，對(duì)于這種概念比較龐雜，無(wú)法用某種確定的邏輯來(lái)貫穿的知識(shí)點(diǎn)，在腦袋中一定要有一幅全局的地圖。
只有對(duì)這個(gè)全局的地圖掌握了，在具體學(xué)習(xí)每一個(gè)局部的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，才能知道自己所處的位置在哪里，才不至于走偏。
這篇文章，我們繼續(xù)去繁從簡(jiǎn)，從 8086 這個(gè)最簡(jiǎn)單的處理器入手，來(lái)聊一下關(guān)于中斷的一些知識(shí)。
有了這個(gè)儲(chǔ)備，理清了基本的脈絡(luò)之后，以后再去學(xué)習(xí) Linux 系統(tǒng)中的中斷相關(guān)內(nèi)容時(shí)，才會(huì)有原來(lái)如此的感覺(jué)！
中斷向量與中斷描述符
中斷向量這個(gè)詞很時(shí)髦，也很神秘！
按道理，不應(yīng)該在第一部分就端上中斷向量這盤(pán)硬菜，應(yīng)該從中斷源開(kāi)始聊起。
但是，畢竟我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)那么多關(guān)于中斷的知識(shí)了，腦袋中肯定是對(duì)中斷已經(jīng)有了一些的基本認(rèn)知。
所以，在這里我們還是首先來(lái)明確一下中斷向量和中斷描述符這個(gè)問(wèn)題。
在前面的文章中已經(jīng)聊過(guò)關(guān)于實(shí)模式和保護(hù)模式的問(wèn)題，在 【Linux 從頭學(xué)】這個(gè)系列中，我們一直以來(lái)描述的都是實(shí)模式下的事情。
本文是實(shí)模式下的最后一篇文章，下一篇文章將會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式。
那么，中斷向量就是工作在實(shí)模式下的，處理器通過(guò)中斷號(hào)和中斷向量，來(lái)定位到相應(yīng)的中斷處理程序。
而中斷描述符呢，就是工作在保護(hù)模式下，處理器通過(guò)中斷號(hào)和中斷描述符，來(lái)定位到相應(yīng)的中斷處理程序。
也就是說(shuō)：中斷向量和中斷描述符，它倆的根本作用是一樣的。
只是它們存在于不同的大環(huán)境中，而且從描述上也能感覺(jué)到，保護(hù)模式下的中斷描述符會(huì)更復(fù)雜一些，功能也更強(qiáng)大一些。
它倆就像一對(duì)兄弟一樣，從外表上看是差不多，功能也是類(lèi)似。但是透入到內(nèi)部去看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多的不同之處。
因此，這篇文章我們講解的就是在實(shí)模式下的中斷，這一點(diǎn)請(qǐng)大家先明白。
中斷的分類(lèi)
在 x86 系統(tǒng)中，中斷的分類(lèi)如下：
內(nèi)部中斷
所謂的內(nèi)部中斷，是在 CPU 內(nèi)部產(chǎn)生并進(jìn)行處理的。比如：
- CPU 遇到一條除以 0 的指令時(shí)，將產(chǎn)生 0 號(hào)中斷，并調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序;
- CPU 遇到一條不存在的非法指令時(shí)，將產(chǎn)生 6 號(hào)中斷，并調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序;
對(duì)于內(nèi)部中斷，有時(shí)候也稱(chēng)之為異常。
軟中斷也屬于內(nèi)部中斷，是非常有用的，它是由 int 指令觸發(fā)的。比如 int3 這條指令，gdb 就是利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序的調(diào)試。
外部中斷
x86 CPU 上有 2 個(gè)中斷引腳：INT 和 INTR，分別對(duì)應(yīng)：不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷。
所謂不可屏蔽，就是說(shuō)：中斷不可以被忽視，CPU 必須處理這個(gè)中斷。
如果不處理，程序就沒(méi)法繼續(xù)執(zhí)行。
而對(duì)于可屏蔽中斷，CPU 可以忽略它不執(zhí)行，因?yàn)檫@類(lèi)中斷不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行造成致命的影響。
對(duì)于外部的可屏蔽中斷，CPU 上只有一根 INTR 引腳，但是需要產(chǎn)生中斷信號(hào)的設(shè)備那么多，如何對(duì)眾多的中斷信號(hào)進(jìn)行區(qū)分呢？
一般都是通過(guò)可編程中斷控制器(Programmable Interrupt Controller, PIC)，在計(jì)算機(jī)中使用最多的就是 8259a 芯片。
雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都已經(jīng)是 APIC(高級(jí)可編程中斷控制器) 了，但是由于 8259a 芯片是那么的經(jīng)典，大部分描述外部中斷的文章都會(huì)用它來(lái)舉例。
每一片 8259a 可以提供 8 個(gè)中斷輸入引腳，兩片芯片級(jí)聯(lián)在一起，就可以提供 15 個(gè)中斷信號(hào)：
- 主片的輸出引腳 INT 連接到 CPU 的 INTR 引腳上;
- 從片的輸出引腳 INT 連接到主片的引腳 2 上;
這樣的話，兩片 8259a 芯片就可以向 CPU 提供 15 個(gè)中斷信號(hào)了，比如：鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、串口、硬盤(pán)等等外設(shè)。
1. 8259a 之所以稱(chēng)作可編程，是因?yàn)樗膬?nèi)部有相關(guān)的寄存器。
2. 可以通過(guò)指定的端口號(hào)，對(duì)這些寄存器進(jìn)行設(shè)置，讓 8 根 IRQ 中斷線上的信號(hào)，在送到 CPU 時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的中斷號(hào)。
另外，對(duì)于外部可屏蔽中斷，有 2 層的屏蔽機(jī)制：
- 在 8259 芯片中，有中斷屏蔽寄存器，可以對(duì) IRQ0 ~ IRQ7 輸入引腳進(jìn)行屏蔽;
- 在 CPU 內(nèi)部，也有一個(gè)標(biāo)志寄存器，可以對(duì)某一類(lèi)中斷信號(hào)進(jìn)行屏蔽;
中斷號(hào)
在 x86 處理器中，一共支持 256 個(gè)中斷，每一個(gè)中斷都分配了一個(gè)中斷號(hào)，從 0 到 255。
其中，0 ~ 31 號(hào)中斷向量被保留，用來(lái)處理異常和非屏蔽中斷(其中只有 2 號(hào)向量用于非屏蔽中斷，其余全部是異常)。
當(dāng) BIOS 或者操作系統(tǒng)提供了異常處理程序之后，當(dāng)一個(gè)異常產(chǎn)生時(shí)，就會(huì)通過(guò)中斷向量表找到響應(yīng)的異常處理程序，查找的過(guò)程馬上就會(huì)介紹到。
從中斷號(hào) 32 開(kāi)始，全部分配給外部中斷。
比如：
1. 系統(tǒng)定時(shí)器中斷 IRQ0，分配的就是 32 號(hào)中斷;
2. Linux 的系統(tǒng)調(diào)用，分配的就是 128 號(hào)中斷;
我們來(lái)分別看一下內(nèi)部中斷和外部中斷相關(guān)的中斷號(hào)：
對(duì)于通過(guò) 8259a 可編程中斷控制器接入的中斷信號(hào)分配如下圖所示：
剛才已經(jīng)說(shuō)過(guò)，8259a 是可編程的，假如我們通過(guò)配置寄存器，把 IRQ0 的中斷號(hào)設(shè)置為 32, 那么主片上 IRQ1 ~ IRQ7 所對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)依次加 1，從片上 IRQ8~IRQ15 對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)也是依次遞增。
所以，有時(shí)候我們可以在代碼中斷看到下面的宏定義：
中斷向量和中斷處理程序
當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生的時(shí)候，CPU 獲取到該中斷對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)，下一步就是要確定調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)來(lái)處理這個(gè)中斷，這個(gè)函數(shù)就稱(chēng)作中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routine，ISR)，有時(shí)候也稱(chēng)作中斷處理程序、中斷處理函數(shù)，本質(zhì)都一樣。
中斷向，就是通過(guò)中斷號(hào)去查找處理程序的重要的橋梁！
中斷向量的本質(zhì)
在 8086 中，一個(gè)中斷向量，就是一個(gè) 段地址:中斷處理函數(shù)偏移量 這樣的一對(duì)數(shù)據(jù)，通過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)，就可以定位到內(nèi)存中指定位置的那個(gè)中斷處理函數(shù)。
非常類(lèi)似于高級(jí)編程語(yǔ)言中的函數(shù)指針，就是用來(lái)指向一個(gè)函數(shù)的開(kāi)始地址。
8086 規(guī)定：256 個(gè)中斷向量，必須從內(nèi)存的 0 地址處開(kāi)始存放。
每一個(gè)中斷向量占用 4 個(gè)字節(jié)(2 個(gè)字節(jié)的段地址，2 個(gè)字節(jié)的偏移地址)，256 個(gè)中斷一共占用了 1024 個(gè)字節(jié)的空間。
之前的文章中，已經(jīng)介紹過(guò)相關(guān)的內(nèi)存模型，如下圖所示：
如果把一個(gè)中斷向量看作函數(shù)指針，那么這個(gè)中斷向量表就相當(dāng)于是函數(shù)指針數(shù)組。
舉例：
假設(shè) 2 號(hào)中斷被觸發(fā)了，CPU 就會(huì)到中斷向量表中查找 2 號(hào)中斷的中斷向量。
因?yàn)槊恳粋€(gè)中斷向量占據(jù) 4 個(gè)字節(jié)，那么 2 號(hào)中斷向量的開(kāi)始地址就是 2 * 4 = 8，第 8 個(gè)字節(jié)。
然后在第 8 個(gè)字節(jié)開(kāi)始，取 4 個(gè)字節(jié)的內(nèi)容：0x1000:0x2000。
意思是：2 號(hào)中斷的處理函數(shù)，在段地址為 0x1000，偏移量為 0x2000 的位置處。
那么 CPU 就按照 8086 的物理地址計(jì)算方式，得到中斷處理函數(shù)的物理地址為 0x12000 (段地址左移 4 位 + 偏移地址)，于是就跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)地址處去執(zhí)行。
1. 由于 Linux 系統(tǒng)是運(yùn)行在保護(hù)模式，在這個(gè)模式下，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，是通過(guò)中斷描述符來(lái)查找中斷處理函數(shù)的。
2. 每一個(gè)中斷描述符，描述了一個(gè)中斷處理函數(shù)所在段的選擇子和偏移量，本質(zhì)上也是用來(lái)查找一個(gè)中斷處理函數(shù)。
中斷處理程序的安裝
既然通過(guò)中斷向量，找到了中斷處理程序，那么這些中斷處理程序都是誰(shuí)放在內(nèi)存中的呢？
如果您看過(guò)一些比較底層的計(jì)算機(jī)書(shū)籍，就能看到一般都會(huì)舉例：如何手動(dòng)的把一個(gè)普通函數(shù)設(shè)置為一個(gè)中斷處理函數(shù)。
操作步驟是：
- 在代碼中，寫(xiě)一個(gè)普通函數(shù);
- 把這個(gè)函數(shù)的指令碼，搬運(yùn)到內(nèi)存中的某一個(gè)位置;
- 把這個(gè)位置(段地址:偏移量)，作為一個(gè)中斷向量，設(shè)置到中斷向量表中;
此時(shí)，如果發(fā)生了該中斷，你所提供的函數(shù)就作為中斷處理函數(shù)被執(zhí)行了。
當(dāng)然了，在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，BIOS、操作系統(tǒng)和各種外設(shè)，會(huì)自動(dòng)為我們提供很多基本的中斷處理函數(shù)的。
比如：BIOS 中就提供了軟中斷、內(nèi)部中斷、硬件中斷等處理函數(shù)，這些函數(shù)是固化在 BIOS 的代碼中的(映射到 BIOS 所在的 ROM 芯片上)，BIOS 只需要把這些處理函數(shù)的地址，寫(xiě)入到中斷向量表中的相應(yīng)位置即可。
在之前的文章中提到過(guò)，內(nèi)存中的某些位置是映射到外設(shè)的 ROM，在這些外設(shè)的 ROM 中也存在一些外設(shè)自帶的程序。
BIOS 在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)掃描這些映射到外設(shè)的內(nèi)存空間，通過(guò)某些關(guān)鍵字信息，如果發(fā)現(xiàn)外設(shè)有自帶的程序，就會(huì)去執(zhí)行。
這些外設(shè)程序一般是進(jìn)行一些自身的初始化，并填寫(xiě)相關(guān)的中斷向量表，使它們指向外設(shè)自帶的中斷處理程序。
對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就更不用說(shuō)了，它會(huì)重新安排自己需要的中斷處理函數(shù)，這部分內(nèi)容我們以后再一起學(xué)習(xí)、討論！
中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和恢復(fù)
當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生的時(shí)候，肯定有一個(gè)正在執(zhí)行的程序被打斷。
當(dāng)中斷處理函數(shù)執(zhí)行結(jié)束之后，這個(gè)被打斷的程序需要從剛才被打斷的地方繼續(xù)執(zhí)行(暫時(shí)先不要考慮從中斷返回點(diǎn)，進(jìn)行多任務(wù)切換的事情)。
而一個(gè)程序執(zhí)行的上下文環(huán)境，就是處理器中的各種寄存器內(nèi)容：代碼段寄存器 cs，指令指針寄存器 sp，標(biāo)志寄存器 FLAGS。
但是，在中斷處理程序中，也需要使用這些寄存器。
處理器中的這些寄存器，就是每一個(gè)程序執(zhí)行時(shí)上下文信息的存儲(chǔ)容器，當(dāng)然也包括終端處理程序！
因此，在進(jìn)入中斷處理程序之前，CPU 會(huì)自動(dòng)的把這些寄存器 push 到棧中保存起來(lái)，然后再跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序中去執(zhí)行。
當(dāng)中斷處理程序執(zhí)行結(jié)束后，CPU 會(huì)從棧中彈出這些內(nèi)容，恢復(fù)到相應(yīng)的寄存器中，于是被打斷的程序就可以繼續(xù)執(zhí)行了。
總結(jié)：中斷的本質(zhì)
從功能的角度看，中斷有 2 個(gè)作用：
- 提供執(zhí)行異步序列的機(jī)制；
- 給應(yīng)用程序提供進(jìn)入系統(tǒng)層的入口；
關(guān)于第 2 點(diǎn)，以后在介紹到 Linux 中的 int 0x80 中斷就非常清楚了，也就是通過(guò)中斷，讓?xiě)?yīng)用層的程序有機(jī)會(huì)進(jìn)入到系統(tǒng)代碼中去執(zhí)行。
因?yàn)閼?yīng)用層與操作系統(tǒng)層的代碼，是工作在不同的安全級(jí)別。
為了系統(tǒng)的安全，Linux 操作系統(tǒng)提供了這樣的一個(gè)機(jī)制，讓低安全級(jí)別的應(yīng)用程序，進(jìn)入到高安全級(jí)別的操作系統(tǒng)代碼中去執(zhí)行，畢竟所有的硬件等系統(tǒng)資源都是由操作系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)一管理的。
我們?cè)購(gòu)闹袛嗵幚沓绦虻陌惭b角度來(lái)看，中斷本質(zhì)上就是增加了一層間接性：通過(guò)固定位置的中斷向量表，讓中斷處理函數(shù)的實(shí)際地址可以被動(dòng)態(tài)的放在任意位置。
為什么這么做？
假如操作系統(tǒng)想為某一個(gè)中斷提供處理函數(shù)，那么這個(gè)處理函數(shù)的地址放在內(nèi)存中的什么位置比較合適?
需要考慮 CPU, 內(nèi)存大小和布局等多種因素，非常復(fù)雜！
而通過(guò)使用中斷向量表，就在一個(gè)固定位置處存放了很多個(gè)“指針”。
當(dāng)中斷處理函數(shù)放在內(nèi)存中某個(gè)任意位置之后，讓“指針”指向這個(gè)函數(shù)的地址就可以了，從而達(dá)到解耦的目的。
這樣的話，無(wú)論是發(fā)生硬件中斷，還是應(yīng)用層代碼通過(guò)中斷門(mén)來(lái)調(diào)用操作系統(tǒng)提供的函數(shù)，只要觸發(fā)相應(yīng)的中斷就可以了，簡(jiǎn)化了 CPU 的設(shè)計(jì)。
