在軟件開發(fā)中，中斷是一個繞不開的重要話題，但是，不知道您是否遇到過這樣的困惑：

很多書籍、文章在介紹中斷相關(guān)的知識點(diǎn)時，說的都挺有道理。

這篇文章對中斷的講解很正確，那篇文章在描述中斷的時候也挺對的，但是，這兩篇文章中，怎么有些內(nèi)容是矛盾的啊？！

單獨(dú)看任何一篇文章感覺都有道理，看的越多，反而越迷糊？

好比在森林里迷路了，如果只有一個指南針，肯定能走出來。

但是，如果你有?2?個指南針，所指的方向卻是相反的，這個時候應(yīng)該相信誰呢？！

我們仔細(xì)梳理了一下就會發(fā)現(xiàn)：每一篇文章都是在一定的語境、一定的上下文環(huán)境中來講解的，不同文章的矛盾之處，恰恰是它們所描述的那個上下文大環(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。

如果我們沒有一個全局的視角，在同一個上下文環(huán)境中來對比不同的文章，就會讓自己的理解和認(rèn)識越來越蒙圈。

因此，對于這種概念比較龐雜，無法用某種確定的邏輯來貫穿的知識點(diǎn)，在腦袋中一定要有一幅全局的地圖。

只有對這個全局的地圖掌握了，在具體學(xué)習(xí)每一個局部的知識點(diǎn)時，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，從?8086?這個最簡單的處理器入手，來聊一下關(guān)于中斷的一些知識。

有了這個儲備，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，才會有原來如此的感覺！

中斷向量與中斷描述符

中斷向量這個詞很時髦，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硬菜，應(yīng)該從中斷源開始聊起。

但是，畢竟我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過那么多關(guān)于中斷的知識了，腦袋中肯定是對中斷已經(jīng)有了一些的基本認(rèn)知。

所以，在這里我們還是首先來明確一下中斷向量和中斷描述符這個問題。

在前面的文章中已經(jīng)聊過關(guān)于實(shí)模式和保護(hù)模式的問題，在?【Linux 從頭學(xué)】這個系列中，我們一直以來描述的都是實(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，處理器通過中斷號和中斷向量，來定位到相應(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，處理器通過中斷號和中斷描述符，來定位到相應(yīng)的中斷處理程序。

也就是說：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到，保護(hù)模式下的中斷描述符會更復(fù)雜一些，功能也更強(qiáng)大一些。

它倆就像一對兄弟一樣，從外表上看是差不多，功能也是類似。但是透入到內(nèi)部去看，就會發(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)請大家先明白。

中斷的分類

在?x86?系統(tǒng)中，中斷的分類如下：

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：

1. CPU 遇到一條除以 0 的指令時，將產(chǎn)生 0 號中斷，并調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序;

2. CPU 遇到一條不存在的非法指令時，將產(chǎn)生 6 號中斷，并調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序;

對于內(nèi)部中斷，有時候也稱之為異常。

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?就是利用它來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用程序的調(diào)試。

很久之前寫過這樣的一篇文章原來gdb的底層調(diào)試原理這么簡單，其中就描述了?gdb?是如何通過插入一個?int?指令，來替換被調(diào)試程序的指令碼，從而實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)調(diào)試功能的。

外部中斷

x86?CPU?上有?2?個中斷引腳：INT?和?INTR，分別對應(yīng)：不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷。

所謂不可屏蔽，就是說：中斷不可以被忽視，CPU?必須處理這個中斷。

如果不處理，程序就沒法繼續(xù)執(zhí)行。

而對于可屏蔽中斷，CPU?可以忽略它不執(zhí)行，因?yàn)檫@類中斷不會對系統(tǒng)的執(zhí)行造成致命的影響。

對于外部的可屏蔽中斷，CPU?上只有一根?INTR?引腳，但是需要產(chǎn)生中斷信號的設(shè)備那么多，如何對眾多的中斷信號進(jìn)行區(qū)分呢？

一般都是通過可編程中斷控制器(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用它來舉例。

每一片?8259a?可以提供?8?個中斷輸入引腳，兩片芯片級聯(lián)在一起，就可以提供?15?個中斷信號：

1. 主片的輸出引腳 INT 連接到 CPU 的 INTR 引腳上;

2. 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?個中斷信號了，比如：鼠標(biāo)、鍵盤、串口、硬盤等等外設(shè)。

1. 8259a 之所以稱作可編程，是因?yàn)樗膬?nèi)部有相關(guān)的寄存器。

2. 可以通過指定的端口號，對這些寄存器進(jìn)行設(shè)置，讓 8 根 IRQ 中斷線上的信號，在送到 CPU 時，對應(yīng)不同的中斷號。

另外，對于外部可屏蔽中斷，有?2?層的屏蔽機(jī)制：

1. 在 8259 芯片中，有中斷屏蔽寄存器，可以對 IRQ0 ~ IRQ7 輸入引腳進(jìn)行屏蔽;

2. 在 CPU 內(nèi)部，也有一個標(biāo)志寄存器，可以對某一類中斷信號進(jìn)行屏蔽;

中斷號

在?x86?處理器中，一共支持?256?個中斷，每一個中斷都分配了一個中斷號，從?0?到?255。

其中，0 ~ 31?號中斷向量被保留，用來處理異常和非屏蔽中斷(其中只有?2?號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)一個異常產(chǎn)生時，就會通過中斷向量表找到響應(yīng)的異常處理程序，查找的過程馬上就會介紹到。

從中斷號?32?開始，全部分配給外部中斷。

比如：

1. 系統(tǒng)定時器中斷 IRQ0，分配的就是 32 號中斷;

2. Linux 的系統(tǒng)調(diào)用，分配的就是 128 號中斷;

我們來分別看一下內(nèi)部中斷和外部中斷相關(guān)的中斷號：

對于通過?8259a?可編程中斷控制器接入的中斷信號分配如下圖所示：

剛才已經(jīng)說過，8259a?是可編程的，假如我們通過配置寄存器，把?IRQ0?的中斷號設(shè)置為?32, 那么主片上?IRQ1 ~ IRQ7?所對應(yīng)的中斷號依次加?1，從片上?IRQ8~IRQ15?對應(yīng)的中斷號也是依次遞增。

所以，有時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)一個中斷發(fā)生的時候，CPU?獲取到該中斷對應(yīng)的中斷號，下一步就是要確定調(diào)用哪一個函數(shù)來處理這個中斷，這個函數(shù)就稱作中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routine，ISR)，有時候也稱作中斷處理程序、中斷處理函數(shù)，本質(zhì)都一樣。

中斷向，就是通過中斷號去查找處理程序的重要的橋梁！

中斷向量的本質(zhì)

在?8086?中，一個中斷向量，就是一個?段地址:中斷處理函數(shù)偏移量?這樣的一對數(shù)據(jù)，通過這個數(shù)據(jù)，就可以定位到內(nèi)存中指定位置的那個中斷處理函數(shù)。

非常類似于高級編程語言中的函數(shù)指針，就是用來指向一個函數(shù)的開始地址。

8086?規(guī)定：256?個中斷向量，必須從內(nèi)存的?0?地址處開始存放。

每一個中斷向量占用?4?個字節(jié)(2?個字節(jié)的段地址，2?個字節(jié)的偏移地址)，256?個中斷一共占用了?1024?個字節(jié)的空間。

之前的文章中，已經(jīng)介紹過相關(guān)的內(nèi)存模型，如下圖所示：

如果把一個中斷向量看作函數(shù)指針，那么這個中斷向量表就相當(dāng)于是函數(shù)指針數(shù)組。

舉例：

假設(shè)?2?號中斷被觸發(fā)了，CPU?就會到中斷向量表中查找?2?號中斷的中斷向量。

因?yàn)槊恳粋€中斷向量占據(jù)?4?個字節(jié)，那么?2?號中斷向量的開始地址就是?2 * 4 = 8，第?8?個字節(jié)。

然后在第?8?個字節(jié)開始，取?4?個字節(jié)的內(nèi)容：0x1000:0x2000。

意思是：2?號中斷的處理函數(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，在這個模式下，當(dāng)發(fā)生中斷時，是通過中斷描述符來查找中斷處理函數(shù)的。

2. 每一個中斷描述符，描述了一個中斷處理函數(shù)所在段的選擇子和偏移量，本質(zhì)上也是用來查找一個中斷處理函數(shù)。

中斷處理程序的安裝

既然通過中斷向量，找到了中斷處理程序，那么這些中斷處理程序都是誰放在內(nèi)存中的呢？

如果您看過一些比較底層的計(jì)算機(jī)書籍，就能看到一般都會舉例：如何手動的把一個普通函數(shù)設(shè)置為一個中斷處理函數(shù)。

操作步驟是：

1. 在代碼中，寫一個普通函數(shù);

2. 把這個函數(shù)的指令碼，搬運(yùn)到內(nèi)存中的某一個位置;

3. 把這個位置(段地址:偏移量)，作為一個中斷向量，設(shè)置到中斷向量表中;

此時，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，在一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，BIOS、操作系統(tǒng)和各種外設(shè)，會自動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，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?在啟動時，會掃描這些映射到外設(shè)的內(nèi)存空間，通過某些關(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。

對于操作系統(tǒng)來說就更不用說了，它會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)場的保護(hù)和恢復(fù)

當(dāng)一個中斷發(fā)生的時候，肯定有一個正在執(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，就是每一個程序執(zhí)行時上下文信息的存儲容器，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?會自動的把這些寄存器?push?到棧中保存起來，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?個作用：

1. 提供執(zhí)行異步序列的機(jī)制；

2. 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，也就是通過中斷，讓應(yīng)用層的程序有機(jī)會進(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別。

為了系統(tǒng)的安全，Linux?操作系統(tǒng)提供了這樣的一個機(jī)制，讓低安全級別的應(yīng)用程序，進(jìn)入到高安全級別的操作系統(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)來統(tǒng)一管理的。

我們再從中斷處理程序的安裝角度來看，中斷本質(zhì)上就是增加了一層間接性：通過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)想為某一個中斷提供處理函數(shù)，那么這個處理函數(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！

而通過使用中斷向量表，就在一個固定位置處存放了很多個“指針”。

當(dāng)中斷處理函數(shù)放在內(nèi)存中某個任意位置之后，讓“指針”指向這個函數(shù)的地址就可以了，從而達(dá)到解耦的目的。

這樣的話，無論是發(fā)生硬件中斷，還是應(yīng)用層代碼通過中斷門來調(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，簡化了?CPU?的設(shè)計(jì)。

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