中断
1. 中断（Interrupt）的定义
中断是计算机系统中一种关键机制，允许处理器暂停当前执行的任务，转去处理更高优先级的紧急事件，处理完成后恢复原任务。中断机制提高了系统的响应速度和资源利用率，是操作系统实现多任务、实时响应的基础。
2. 硬件中断（Hardware Interrupt） vs 软件中断（Software Interrupt）
| 特征 | 硬件中断 | 软件中断 |
|---|---|---|
| 触发源 | 外部硬件设备（如键盘、网卡、定时器） | CPU执行特定指令（如int 0x80）或程序异常（如除零错误） |
| 同步性 | 异步：随机发生，与CPU当前指令无关 | 同步：由正在执行的程序主动触发 |
| 目的 | 通知CPU外部事件（如数据到达、设备就绪） | 请求系统服务（如系统调用）或处理程序错误 |
| 中断号（IRQ） | 由硬件分配固定IRQ（如IRQ1对应键盘） | 由软件指定（如Linux系统调用使用0x80中断号） |
| 处理流程 | 1. 设备发送中断信号到中断控制器（如APIC） 2. CPU保存现场，跳转到中断处理程序 |
1. 执行int指令或触发异常 2. CPU直接查表跳转到处理程序 |
| 典型场景 | 网卡收到数据包、硬盘I/O完成、键盘输入 | 应用程序调用系统API（如读写文件）、除零错误 |
| 优先级 | 可配置优先级（如时钟中断 > 磁盘中断） | 通常由操作系统定义（如异常 > 普通系统调用） |
| 屏蔽能力 | 可通过屏蔽中断（CLI指令）临时禁用 | 不可屏蔽（如某些异常必须处理） |
3. 硬件中断详解
- 触发过程：
- 设备通过物理信号线（如INTR、NMI）或消息信号（如MSI-X）通知中断控制器。
- 中断控制器仲裁优先级后，向CPU发送中断请求。
- 处理步骤：
- CPU完成当前指令后，保存现场（寄存器、程序计数器）。
- 根据中断号查询中断向量表，跳转到对应的中断服务程序（ISR）。
- ISR处理完成后，通过
IRET指令恢复现场。
- 例子：
- 时钟中断：由定时器周期性触发，用于任务调度。
- 网卡中断：数据包到达时触发，通知CPU读取数据。
4. 软件中断详解
- 触发方式：
- 主动调用：程序执行
int n指令（如Linux系统调用int 0x80）。 - 异常触发：CPU检测到错误（如缺页、除零），自动生成中断。
- 主动调用：程序执行
- 处理步骤：
- CPU直接根据中断号跳转到预设的处理程序（如系统调用处理函数或异常处理程序）。
- 处理完成后可能终止程序（如段错误）或恢复执行（如缺页处理）。
- 例子：
- 系统调用：用户程序通过
int 0x80进入内核态执行特权操作。 - 断点调试：调试器利用
int 3指令触发中断以暂停程序。
- 系统调用：用户程序通过
5. 关键区别总结
- 触发源：
- 硬件中断来自外部设备，软件中断来自CPU内部（指令或异常）。
- 同步性：
- 硬件中断是异步事件，软件中断是同步执行的必然结果。
- 用途：
- 硬件中断处理外部通信，软件中断实现系统服务或错误处理。
- 响应延迟：
- 硬件中断可能被屏蔽或延迟处理，软件中断通常立即响应。
6. 实际应用中的协同
- 操作系统内核：混合使用两者。例如，网卡收到数据时触发硬件中断，内核处理数据后通过软件中断通知用户程序。
- 性能权衡：高频硬件中断可能引入开销，因此现代网卡支持轮询模式或中断合并（如NAPI）。