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當(dāng)外部事件發(fā)生時(shí)（比如硬件設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸、用戶輸入等）。
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作為一名程序員，我們都知道，在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，CPU會(huì)不斷地執(zhí)行指令。但是，當(dāng)外部事件發(fā)生時(shí)（比如硬件設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸、用戶輸入等），CPU需要立即停下來(lái)去響應(yīng)這些事件，然后再返回原來(lái)的位置繼續(xù)執(zhí)行指令。這種被打斷的現(xiàn)象就叫做“中斷”。
在操作系統(tǒng)級(jí)別上，對(duì)于每個(gè)可引起CPU響應(yīng)的事件都有一個(gè)唯一的編號(hào)稱(chēng)為“中斷向量”，而對(duì)于每個(gè)不同類(lèi)型的中斷向量都有相應(yīng)的代碼段負(fù)責(zé)處理該類(lèi)別下所有具體實(shí)例化出來(lái)的事件。
那么，在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)部，是如何實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)復(fù)雜而高效率、完整性極強(qiáng)且安全穩(wěn)定性又較好得管理著大大小小各種類(lèi)型各種來(lái)源異步拋出并要求及時(shí)響應(yīng)處理以完成任務(wù)轉(zhuǎn)移或者通信交互目標(biāo)呢？答案就在本文所述內(nèi)容里面。
1. 中斷描述符表IDT
首先介紹核心概念——IDT。 IDT(Interrupt Descriptor Table) 是 Linux 操作系統(tǒng)用于保存所有 CPU 可能接收并響應(yīng)之 IRQ 和 Exception 的信息表。在Linux內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，就會(huì)為每個(gè)中斷向量創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的中斷描述符，并將其存儲(chǔ)到IDT中。
這些描述符包含了很多信息，比如：
- 中斷處理函數(shù)指針
- 標(biāo)志位（例如：是否允許該中斷被屏蔽）
- 特權(quán)級(jí)別（用于確定哪些代碼可以訪問(wèn)該中斷）
因此，在 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)部要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同類(lèi)型的外部事件進(jìn)行響應(yīng)和管理，就需要使用 IDT 這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)維護(hù)所有可能引發(fā) CPU 響應(yīng)并觸發(fā)相應(yīng) Interrupt Service Routine 的 IRQ 和 Exception 信號(hào)。
2. I/O 中斷處理
I/O (Input/Output) 中斷是最常見(jiàn)、最基本的一類(lèi)硬件中斷。當(dāng)設(shè)備發(fā)送了數(shù)據(jù)或請(qǐng)求后，CPU 需要立即停止正在執(zhí)行的任務(wù)去響應(yīng)這個(gè)事件，并且從設(shè)備讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)傳輸完成后返回原來(lái)位置繼續(xù)執(zhí)行下面程序。
在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)部，I/O 設(shè)備通常與 CPU 之間通過(guò)總線連接。當(dāng) I/O 設(shè)備產(chǎn)生一個(gè) IRQ 信號(hào)時(shí)，則會(huì)觸發(fā)一個(gè)所謂“IRQ Handler”的特定機(jī)制，該機(jī)制負(fù)責(zé)識(shí)別并調(diào)用相應(yīng)的 ISR(Interrupt Service Routine) 函數(shù)來(lái)進(jìn)行真正地處理工作。
ISR 是由操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)出來(lái)以響應(yīng)某一特定類(lèi)型中斷的函數(shù)。當(dāng)觸發(fā)一個(gè) I/O 中斷時(shí)，CPU 會(huì)根據(jù) IDT 查找到相應(yīng)的 ISR 函數(shù)，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給該函數(shù)。
在 ISR 函數(shù)內(nèi)部，通常需要完成如下工作：
- 關(guān)閉或者屏蔽當(dāng)前 IRQ
- 處理設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)等操作
- 打開(kāi)或者允許后續(xù) IRQ
3. 總結(jié)
總之，在 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同類(lèi)型的外部事件進(jìn)行響應(yīng)和管理是非常復(fù)雜而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程。這篇文章主要介紹了中斷描述符表IDT以及I/O中斷處理機(jī)制兩個(gè)核心概念，從而幫助大家更好地理解Linux操作系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理，并能夠深入挖掘其它相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。
參考資料：
1. -linux-interrupt/index.html
2. -system-call.html
當(dāng)前文章：探究Linux操作系統(tǒng)中的中斷和異常（1）——從IDT到I/O中斷處理
網(wǎng)站鏈接：http://www.dlmjj.cn/article/dphphpd.html
