1、中斷概述
1.1、為什麼需要中斷？
等到硬體真正完成了請求的操作之後，再回過頭來對它進行處理。想要實現這種功能，輪詢
(polling)
可能會是一種解決辦法
。可以讓核心定期對裝置的狀態進行查詢，然後做出相應的處理。不過這種方法很可能會讓核心做不少無用功，因為無論硬體裝置是正在忙碌著完成任務還是已經大功告成，輪詢總會周期性地重複執行。更好的辦法是由我們來提供一種機制，
讓硬體在需要的時候再向核心發出訊號
(變核心主動為硬體主動
)。這就是中斷機制。
硬體裝置生成中斷的時候並不考慮與處理器的時鐘同步—換句話說就是中斷隨時可以產生。因此，
核心隨時可能因為新到來的中斷而被打斷。
從物理學的角度看，中斷是一種電訊號，由硬體裝置生成，
並直接送入中斷控制器的輸入引腳上。然後再由中斷控制器向處理器傳送相應的訊號。處理器一經檢測到此訊號，便中斷自己的當前工作轉而處理中斷。
此後，處理器會通知作業系統已經產生中斷，這樣，作業系統就可以對這個中斷進行適當的處理了。
不同的裝置對應的中斷不同，而
每個中斷都通過乙個惟一的數字標識
。因此，來自鍵盤的中斷就有別幹來自硬碟的中斷，從而使得作業系統能夠對中斷進行區分，並知道哪個硬體裝置產生了哪個中斷。這樣，作業系統才能給不同的中斷提供不同的中斷處理程式。
這些中斷值通常被為中斷請求
(irq)
線。通常
irq都是一些數值量。例如在
pc上，
irq0
是時鐘中斷，而
irq 1
是鍵盤中斷。但並非所有的中斷號都是這樣嚴格定義的。例如，對於連線在
pci匯流排上的裝置而言，
中斷是動態分配的
。而在嵌入式系統中，由於中斷線有限，一般外設和中斷都是一一匹配的，很少有動態分配中斷的。不管怎樣，重點在於特定的中斷總是與特定的裝置相關聯，並且核心要知道這些資訊。
在作業系統中，討論中斷就不能不提及異常。廣義的中斷可分為同步（
synchronous
）中斷和非同步（
asynchronous
）中斷：
同步中斷：是當指令執行時由
控制單元產生，之所以稱為同步，
是因為只有在一條指令執行完畢後
才會發出中斷，
而不是發生在**指令執行期間，比如系統呼叫。
非同步中斷：是指由其他硬體裝置依照
時鐘訊號
隨機產生，即意味著中斷能夠在指令之間發生，
例如鍵盤中斷。
一般由處理器本身產生的同步中斷
稱為異常（
exception
），非同步中斷被稱為中斷（
interrupt
）。中斷可分為可遮蔽中斷（
maskable interrupt
）和非遮蔽中斷（
nomaskable interrupt
）。異常可分為故障（
fault
）、陷阱（
trap
）、終止（
abort
）三類。 表1
：中斷類別及其行為
類別 原因
非同步/同步
返回行為 中斷
來自i/o裝置的訊號非同步
總是返回到下一條指令 陷阱
有意的異常 同步
總是返回到下一條指令 故障
潛在可恢復的錯誤 同步
返回到當前指令 終止
不可恢復的錯誤 同步
不會返回
在處理器執行到由於程式設計失誤而導致的錯誤指令
(例如被0除
)的時候，或者是
在執行期間出現特殊情況
(例如缺頁
)，必須靠核心來處理的時候，處理器就會產生乙個異常。因為許多處理器體系結構
處理異常與處理中斷的方式類似
，因此，核心對它們的處理也很類似。
通過軟中斷實現系統呼叫，那就是陷人核心，然後引起一種特殊的異常—系統呼叫處理程式異常。你將會看到，中斷的工作方式與之類似，其差異只在於
中斷是由硬體而不是軟體引起的。
1.4、中斷處理程式
在響應乙個特定中斷的時候，核心會執行乙個函式，該函式叫做中斷處理程式
(interrupt handler)
或中斷服務例程
(interrupt service routine, isr)
。產生中斷的每個裝置都有乙個相應的中斷處理程式。
在linux
中，中斷處理程式看起來就是普普通通的
c函式。只不過這些函式必須
按照特定的型別宣告，以便核心能夠以標準的方式傳遞處理程式的資訊
。中斷處理程式與其他核心函式的
真正區別在於：中斷處理程式是被核心呼叫來響應中斷的，而它們執行於我們稱之為中斷上下文的特殊上下文中。
中斷可能隨時發生，因此中斷處理程式也就隨時可能執行。所以必須保證中斷處理程式能夠快速執行，
這樣才能保證盡可能快地恢復中斷**的執行
。因此，
儘管對硬體而言，迅速對其中斷進行服務非常重要
，但對系統的其他部分而言，讓中斷處理程式在盡可能短的時間內完成執行也同樣重要。
即使是最精簡版的中斷服務程式，它也要與硬體進行互動，告訴該裝置中斷已被接收。我們可以考慮一下網路裝置的中斷處理程式面臨的挑戰。該處理程式除了要對硬體應答，
還要把來自硬體的網路資料報拷貝到記憶體，
對其進行處理後再交給合適的協議棧或應用程式。顯而易見，這種工作量不會太小，尤其對於如今的千兆位元和萬兆位元乙太網卡而言。
因此我們一般把中斷處理切為兩個部分或兩半。中斷處理程式是上半部
(top half)
—接收到乙個中斷，它就立即開始執行，但只做有嚴格時限的工作，
例如對接收的中斷進行應答或復位硬體，
這些工作都是在所有中斷被禁止的情況下完成的。
能夠被允許稍後完成的工作會推遲到下半部
(bottom half)
去。此後，在合適的時機，下半部會被開中斷執行。
以網絡卡作為例項，當網絡卡接收流入網路的資料報時，需要通知核心資料報到了。網絡卡需要立即完成這件事，從而優化網路的吞吐量和傳輸週期，以避免超時。因此，網絡卡立即發出中斷
:嘀，核心，我這裡有最新資料報了。核心通過執行網絡卡已註冊的中斷處理程式來做出應答。
中斷開始執行，
應答硬體，拷貝最新的網路資料報到記憶體，然後讀取網絡卡更多的資料報。
這些都是
重要、緊迫而又與硬體相關的工作
。處理和運算元據包的其他工作在隨後的下半部中進行。
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