匯編語言簡易教程(14):中斷與恢復(fù)

從一般意義上講，中斷是工作流的暫?；虮３?。 例如，如果您正在打電話，門鈴響了，則電話通話將處于暫停狀態(tài)，門將應(yīng)答。 銷售人員被送走后，電話交談恢復(fù)（對話中斷的地方）

在計算機(jī)編程中，中斷也是當(dāng)前正在執(zhí)行的過程的暫?；虮３帧?通常，當(dāng)前進(jìn)程會中斷，以便可以執(zhí)行其他一些工作。 中斷通常被定義為改變處理器執(zhí)行的指令序列的事件。 此類事件對應(yīng)于軟件和/或硬件生成的信號。 例如，大多數(shù)輸入/輸出 （I/O） 設(shè)備都會生成中斷以傳輸或接收數(shù)據(jù)。 軟件程序還可以生成中斷，以根據(jù)需要啟動 I/O、請求操作系統(tǒng)服務(wù)或處理意外情況

處理中斷是一項敏感任務(wù)。 中斷可能隨時發(fā)生;內(nèi)核嘗試盡快解決中斷問題。 此外，一個中斷可以被另一個中斷中斷

多用戶操作系統(tǒng)

現(xiàn)代多用戶操作系統(tǒng) （OS） 支持多個程序同時執(zhí)行或似乎正在執(zhí)行，方法是根據(jù)需要共享資源。 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和共享資源。 這些資源包括 CPU內(nèi)核、主內(nèi)存（即 RAM）、輔助存儲（即磁盤或 SSD）、顯示屏、鍵盤和鼠標(biāo)。 例如，多個程序必須共享可用的 CPU 資源（內(nèi)核或內(nèi)核，如適用）

當(dāng)中斷發(fā)生時，當(dāng)前進(jìn)程被中斷（即被擱置），中斷被處理（這取決于中斷的具體原因），然后最終恢復(fù)該進(jìn)程。 操作系統(tǒng)可以選擇在恢復(fù)原始進(jìn)程之前執(zhí)行其他任務(wù)或進(jìn)程。 中斷由稱為中斷服務(wù)例程（也稱為中斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動程序等）的特殊軟件例程處理。 通過使用中斷并在各種進(jìn)程之間快速切換，操作系統(tǒng)能夠提供所有進(jìn)程同時執(zhí)行的錯覺。

并非所有代碼都可以中斷。 例如，由于某些操作系統(tǒng)內(nèi)核功能的性質(zhì)，內(nèi)核中的某些區(qū)域完全不能中斷。 這包括更新一些敏感的操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

異步中斷

在計算機(jī)中斷的上下文中，異步發(fā)生的中斷意味著中斷可以在程序執(zhí)行的任意時間發(fā)生。

相對于執(zhí)行過程中的任何特定位置，異步中斷都是不可預(yù)測的。 例如，外部硬件設(shè)備可能會在不可預(yù)知的位置中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程。

同步中斷

同步發(fā)生的中斷通常發(fā)生在 CPU 控制下，并且由當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程引起或代表當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程。 同步性質(zhì)與中斷發(fā)生的位置有關(guān)，而不是特定的時鐘時間或 CPU 周期時間。同步中斷通常在同一位置重復(fù)發(fā)生（假設(shè)沒有任何變化來解決原始原因

硬件中斷

硬件中斷通常由硬件生成。 硬件中斷可以由以下方式發(fā)出

1. IO設(shè)備 (鍵盤 / 網(wǎng)卡)
2. 間隔計時器
3. 其他 CPU（在多處理器系統(tǒng)上）

硬件中斷是異步發(fā)生的。 硬件中斷的一個示例是在鍵盤上鍵入鍵時。 操作系統(tǒng)無法提前知道何時按下該鍵，甚至是否按下該鍵。 為了處理這種情況，鍵盤支持硬件將生成中斷。 如果操作系統(tǒng)正在執(zhí)行不相關(guān)的程序，則在處理密鑰時，該程序會暫時中斷。 在此示例中，該特定處理包括將密鑰存儲在緩沖區(qū)中并返回到中斷的進(jìn)程。 理想情況下，這種短暫的中斷對中斷的進(jìn)程影響不大

異常

異常是由當(dāng)前進(jìn)程引起并需要內(nèi)核注意的中斷的術(shù)語。 異常正在同步發(fā)生。 在這種情況下, synchronous 意味著異常將以可預(yù)測或可重復(fù)的方式發(fā)生, 通常分為以下:

1. 故障 (faults)

一個例子是頁面錯誤，它是將部分程序從磁盤存儲加載到內(nèi)存中的請求。 中斷的進(jìn)程將重新啟動，而不會丟失連續(xù)性

2. 陷阱 (Traps)

陷阱通常用于調(diào)試。 該過程將重新啟動，而不會失去連續(xù)性。

3. 中止 (Abort)

中止通常表示發(fā)生了嚴(yán)重的錯誤情況，必須加以處理。 這包括除以零、嘗試訪問無效的內(nèi)存地址或嘗試執(zhí)行無效/非法指令。 非法指令可能是只允許由特權(quán)/授權(quán)進(jìn)程執(zhí)行的指令

軟件中斷

CPU 在處理指令時會產(chǎn)生軟件中斷。 這通常是程序員明確請求的編程異常。

此類中斷通常是同步發(fā)生的，通常用于從操作系統(tǒng)請求系統(tǒng)服務(wù)。 例如，請求 I/O 等系統(tǒng)服務(wù)

中斷類型及等級

中斷具有與之關(guān)聯(lián)的各種類型和權(quán)限。

以下各節(jié)提供了類型和權(quán)限的說明。 中斷的進(jìn)程可能以低于中斷處理代碼的權(quán)限執(zhí)行。 為了使中斷有效，操作系統(tǒng)必須安全、快速地處理此權(quán)限提升和降級。

類型區(qū)分

1. 可屏蔽中斷
2. 不可屏蔽中斷

可屏蔽中斷通常由 I/O 設(shè)備發(fā)出。 顧名思義，“可屏蔽”意味著，可在短時間內(nèi)忽略或屏蔽可屏蔽的中斷。 這允許延遲關(guān)聯(lián)的中斷處理

不可屏蔽中斷 （NMI）。 這包括一些操作系統(tǒng)功能和嚴(yán)重故障，例如硬件故障。 不可屏蔽的中斷始終由 CPU 處理。

權(quán)限級別

權(quán)限級別是指執(zhí)行中斷代碼的權(quán)限級別。 這可能是比中斷的代碼正在執(zhí)行的更高的權(quán)限級別。 處理器以四個權(quán)限級別之一執(zhí)行代碼，如下所示

中斷處理

處理中斷時，必須安全、迅速且正確地進(jìn)行處理?；舅枷胧?，當(dāng)當(dāng)前正在執(zhí)行的過程被中斷時，必須將其暫停，并找到并執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理代碼。所需的具體中斷處理取決于中斷的原因或目的。一旦服務(wù)了中斷，最終將恢復(fù)原始過程的執(zhí)行。

中斷服務(wù)例程（ISR）

響應(yīng)中斷執(zhí)行的代碼通常被稱為中斷服務(wù)例程或ISR。這段代碼有時被稱為中斷處理器、處理器、服務(wù)例程或ISR代碼。為了一致性，本文檔將使用ISR這個術(shù)語。

由于并發(fā)和競態(tài)條件相關(guān)的問題，ISR代碼的開發(fā)具有挑戰(zhàn)性。此外，隔離問題和調(diào)試ISR代碼也很困難。

處理步驟

處理中斷涉及的一般步驟在以下各節(jié)中概述。

暫停

當(dāng)前程序的執(zhí)行被暫停。至少需要將rip和rFlags寄存器保存到系統(tǒng)棧。其余寄存器可能會被保留（作為進(jìn)一步的步驟），這取決于具體的中斷。rFlags標(biāo)志寄存器必須立即保留，因為中斷可能是異步生成的，且這些寄存器會隨著連續(xù)指令的執(zhí)行而改變。這個多階段過程確保程序上下文可以完全恢復(fù)。

獲取ISR地址

ISR地址存儲在一個稱為中斷描述符表（IDT）的表中。對于每個ISR，IDT包含ISR地址和一些附加信息，包括ISR的任務(wù)門（優(yōu)先級和權(quán)限信息）。IDT中的每個條目總共有8字節(jié)，每個IDT條目有16字節(jié)。IDT中最多可能有256（0-255）個條目。

要獲取ISR的起始地址，中斷號乘以16（因為每個條目是16字節(jié)），這個值用作IDT中的偏移量，從中獲得ISR地址（對于該中斷）。

IDT的起始位置由一個專用寄存器IDTR指向，該寄存器僅可由操作系統(tǒng)訪問，并且需要0級權(quán)限才能訪問。

ISR例程的地址特定于操作系統(tǒng)版本和系統(tǒng)的特定硬件組合。系統(tǒng)最初啟動時創(chuàng)建IDT，并反映特定的系統(tǒng)配置。這對于操作系統(tǒng)能夠在不同的系統(tǒng)硬件配置上正確且一致地工作至關(guān)重要。

跳轉(zhuǎn)到ISR

從IDT獲取ISR地址后，會執(zhí)行一些驗證。這包括確保中斷來自合法/有效的源，以及是否需要和允許更改權(quán)限級別。一旦驗證成功完成，ISR的地址從IDT放入rip寄存器，從而實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到ISR例程。

暫停執(zhí)行ISR

此時，根據(jù)特定ISR，可能會執(zhí)行完整的進(jìn)程上下文切換。進(jìn)程上下文切換涉及保存中斷進(jìn)程的所有CPU寄存器。

在基于Linux的操作系統(tǒng)中，ISR通常分為兩部分，稱為上半部和下半部。其他操作系統(tǒng)將這些稱為一級中斷處理器（FLIH）和二級中斷處理器（SLIH）。

上半部或FLIH立即執(zhí)行，且在此進(jìn)行任何關(guān)鍵活動。這些活動特定于ISR，但可能包括確認(rèn)中斷、重置硬件（如必要）以及記錄只在中斷時刻可用的任何信息。上半部可能會執(zhí)行一些阻塞其他中斷的操作（這需要盡量減少）。

下半部是執(zhí)行任何處理活動的地方（如果有的話）。這有助于確保上半部快速完成，并將任何非關(guān)鍵處理推遲到更方便的時間。如果存在下半部，上半部將創(chuàng)建并安排執(zhí)行下半部。

一旦上半部完成，操作系統(tǒng)調(diào)度器將選擇一個新的進(jìn)程。

恢復(fù)

當(dāng)操作系統(tǒng)準(zhǔn)備恢復(fù)中斷的進(jìn)程時，將恢復(fù)程序上下文，并執(zhí)行iret指令（以彈出rFlags和rip寄存器，從而完成恢復(fù)）。

示意圖

1. 執(zhí)行當(dāng)前程序暫停 (Execution of current program is suspended) :

• 當(dāng)前正在執(zhí)行的程序被暫停，系統(tǒng)將 rip（指令指針寄存器）和 rFlags（標(biāo)志寄存器）保存到棧中。

2. 獲取中斷服務(wù)例程的起始地址 (Obtain starting address of Interrupt Service Routine (ISR)) :

• 使用中斷號乘以16，這個結(jié)果用作中斷描述符表（IDT）的偏移量。
• 從IDT中獲取該中斷的ISR地址。

3. 跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)例程 (Jump to Interrupt Service Routine) :

• 將 rip 設(shè)置為從IDT中獲取的地址，這樣就實現(xiàn)了對ISR的跳轉(zhuǎn)。

4. 中斷服務(wù)例程執(zhí)行 (Interrupt Service Routine Executes) :

• 保存上下文（即，保存所有被改變的附加寄存器）。
• 處理中斷（具體操作取決于生成的中斷類型）。
• 安排任何后續(xù)的數(shù)據(jù)處理活動。

5. 中斷進(jìn)程恢復(fù) (Interrupted Process Resumption) :

• 根據(jù)操作系統(tǒng)的調(diào)度器恢復(fù)調(diào)度。
• 恢復(fù)之前保存的上下文。
• 執(zhí)行 iret 指令，從棧中彈出 rFlags 和 rip 寄存器，完成恢復(fù)過程。

這種中斷處理機(jī)制允許動態(tài)地、在運行時查找ISR地址。