第5章 中断和异常.doc

第五章 中断和异常 中断控制是计算机发展中一种重要的技术。最初它是为克服对I/O接口控制采用程序查询所带来的处理器低效率而产生的。中断控制的主要优点是只有在I/O需要服务时才能得到处理器的响应，而不需要处理器不断地进行查询。由此，最初的中断全部是对外部设备而言的，即称为外部中断（或硬件中断）。 但随着计算机系统结构的不断改进以及应用技术的日益提高，中断的适用范围也随之扩大，出现了所谓的内部中断（或叫异常），它是为解决机器运行时所出现的某些随机事件及编程方便而出现的。因而形成了一个完整的中断系统。本章主要讨论在80x86保护模式下中断机制在Linux中的实现 5.1中断是什么 大多数读者可能对16位实地址模式下的中断机制有所了解，例如中断向量、外部I/O中断以及异常，这些内容在32位的保护模式下依然有效。两种模式之间最本质的差别就是在保护模式引入了中断描述符表。 5.1.1中断向量 Intel x86系列微机共支持256种向量中断，为使处理器较容易地识别每种中断源，将它们从0到256编号，即赋以一个中断类型码n，Intel把这个8位的无符号整数叫做一个向量，因此，也叫中断向量。所有256种中断可分为两大类：异常和中断。异常又分为故障（Fault）和陷阱(Trap)，它们的共同特点是既不使用中断控制器，又不能被屏蔽（异常其实是CPU发出的中断Linux对256个向量的分配如下： 从0~31的向量对应于异常和非屏蔽中断。 从32~47的向量（即由I/O设备引起的中断）分配给屏蔽中断。 剩余的从48~255的向量用来标识软中断。Linux只用了其中的一个（即128或0x80向量）用来实现系统调用。 说明，你可以在proc文件系统下的interrupts文件中，查看当前系统中各种外设的IRQ： $cat /proc/interrupts 5.1.2 外设可屏蔽中断 Intel x86通过两片中断控制器8259A来响应15个外中断源，每个8259A可管理8个中断源。第一级（称主片）的第二个中断请求输入端，与第二级8259A（称从片）的中断输出端INT相连，如图5.1所示。我们把与中断控制器相连的每条线叫做中断线，要使用中断线，就要进行中断线的申请，也就是IRQ(Interrupt ReQuirement )，因此我们也常把申请一条中断线称为申请一个IRQ或者是申请一个中断号。IRQ线是从0开始顺序编号的；因此，第一条IRQ线通常表示成IRQ0。IRQn的缺省向量是n+32；如前所述，IRQ和向量之间的映射可以通过中断控制器端口来修改。 图5.1 级连的 8259A的中断机构 并不是每个设备都可以向中断线上发中断信号的，只有对某一条确定的中断线拥有了控制权，才可以向这条中断线上发送信号。由于计算机的外部设备越来越多，所以15条中断线已经不够用了，中断线是非常宝贵的资源，所以只有当设备需要中断的时候才申请占用一个IRQ，或者是在申请IRQ时采用共享中断的方式，这样可以让更多的设备使用中断。 对于外部I/O请求的屏蔽可分为两种情况，一种是从CPU的角度，也就是清除eflag的中断标志位（IF），当IF=0时，禁止任何外部I／O的中断请求，即关中断；一种是从中断控制器的角度，因为中断控制器中有一个8位的中断屏蔽寄存器，每位对应8259A中的一条中断线，如果要禁用某条中断线，则把中断屏蔽寄存器相应的位置1，要启用，则置0。 5.1.3异常及非屏蔽中断 异常就是CPU内部出现的中断,也就是说，在CPU执行特定指令时出现的非法情况。非屏蔽中断就是计算机内部硬件出错时引起的异常情况。从上图可以看出，二者与外部I/O接口没有任何关系。Intel把非屏蔽中断作为异常的一种来处理，因此，后面所提到的异常也包括了非屏蔽中断。在CPU执行一个异常处理程序时，就不再为其他异常或可屏蔽中断请求服务，也就是说，当某个异常被响应后，CPU清除eflag的中IF位，禁止任何可屏蔽中断。但如果又有异常产生，则由CPU锁存（CPU具有缓冲异常的能力），待这个异常处理完后，才响应被锁存的异常。我们这里讨论的异常中断向量在0～31之间，不包括系统调用（中断向量为0x80）。 Intel x86处理器发布了大约20种异常（具体数字与处理器模式有关）。Linux内核必须为每种异常提供一个专门的异常处理程序。 5.1.4中断描述符表 在实地址模式中，CPU把内存中从0开始的1K字节作为一个中断向量表。表中的每个表项占四个字节，由两个字节的段地址和两个字节的偏移量组成，这样构成的地址便是相应中断处理程序的入口地址。但是，在保护模式下，由四字节的表项构成的中断向量表显然满足不了要求。这是因为，(除了两个字节的段描述符，偏移量必用四字节来表示；(要有反映模式