ch2-2.2中断技术.ppt

1、2.2中断技术,2.2.1 中断概念 2.2.2 中断源分类 2.2.3 中断和异常的响应及服务 2.2.4 中断事件处理 2.2.5 中断优先级和多重中断 2.2.6 Linux中断处理 2.2.7 Windows 2003中断处理,2.2.1中断的概念,请求系统服务， 实现并行工作， 处理突发事件， 满足实时要求， 都需要打断处理器正常的工作，为此，提出了中断概念。,中断的定义,中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处(断点)或调度其他程序执行的过程。,2.2.2中断源分类(1),从中断事件的

2、性质和激活的手段来说，可以分成两类： 强迫性中断事件强迫性中断事件不是正在运行的程序所期待的，而是由于某种事故或外部请求信息所引起的，分为： 机器故障中断事件。 程序性中断事件。 外部中断事件。 输入输出中断事件。 自愿性中断事件自愿性中断事件是正在运行的程序所期待的事件。是访管指令引起的。,中断源分类(2)按中断事件的性质和激活方式划分,中断源分类(3),硬中断,软中断,外中断(中断、异步中断),内中断(异常、同步中断),信号,软件中断,按事件来源和实现手段分类,中断源分类(4), 外中断(中断或异步中断)-指来自处理器之外的中断信号，包括时钟中断、键盘中断和设备中断等；外中断又分可屏蔽中断

3、和不可屏蔽中断，每个不同中断具有不同中断优先级，表示事件的紧急程度，在处理高一级中断时，往往会屏蔽部分或全部低级中断。 内中断(异常或同步中断)-指来自处理器内部，通常由于程序执行中，出现与当前指令关联的、不正常的、或是错误的事件。,中断和异常的区别, 中断是由与现行指令无关的中断信号触发的(异步的)，且中断的发生与CPU处在用户模式或内核模式无关，在两条机器指令之间才可响应中断，一般来说，中断处理程序提供的服务不是为当前进程所需的； 异常是由处理器正在执行现行指令而引起的，一条指令执行期间允许响应异常，异常处理程序提供的服务是为当前进程所用的。异常包括很多方面，有出错(fault)，也有陷入

4、(trap)等。,Linux异常, Linux为例，异常按错误报告方式分四种： 故障、 陷阱、 终止、 编程异常。 故障-发生时保存的返回指令地址指向触发异常的当前那条指令，故障处理后会重新执行。 编程异常和陷阱-由于执行访管指令引起的同步操作，异常返回时，回到触发异常的下一条指令。,硬中断与软中断,中断和异常要通过硬件设施来产生中断请求，是硬中断。 软中断是利用硬中断的概念，用软件方法对中断机制进行模拟，实现宏观上的异步执行效果。 软中断分：“信号”和“软件中断”。,中断的通常用法,“中断”(硬中断)用于外部设备对CPU的中断(中断的是正在运行的任何程序)，转向中断处理程序执行； “异常”(

5、硬中断)因指令执行不正常而中断CPU(中断的是正在执行这条指令的程序)，转向异常处理程序； “软件中断”(软中断)用于硬中断服务程序对内核的中断，在上半部分中发出软件中断(即标记下半部分)，使得中断下半部分在适当时刻获得处理； “信号”(软中断)用于内核或进程对某个进程的中断，通知进程某个特定事件发生或迫使进程执行信号处理程序。,中断机制与信号机制进行类比,相同点：(1)概念上是一致的 ，(2)两者都是“异步”的 ，(3)实现上均采用“向量表”，(4）均具有“屏蔽”设施。 区别是：中断机制由硬件与软件相结合来实现，而信号机制由软件实现；中断向量表和中断处理程序(由系统提供)均在系统空间，而信号

6、向量表虽在系统空间，但信号处理程序由应用程序提供，并在用户空间执行。,硬中断与软中断BH进行类比,(1)数组bh_base 相当于硬件中断机制中的数组irq_desc ； (2）bh_active在概念上相当于硬件的“中断请求寄存器”，而bh_mask相当于硬件中的“中断屏蔽寄存器”； (3)执行一个BH函数时，就通过mark_bh( )将bh_active中的某位设成1，相当于中断源发出(软件)中断请求，所设置的具体标志位则类似于“中断向量”； (4)如果bh_mask中的相应位是l，就会在每次执行完do_IRQ（）中的中断服务程序后，及每次系统调用结束后，在函数do_bottom_half

7、（）中执行相应BH函数，而do_bottom_half（），则类似于do_IRQ( )。,硬中断或软中断处理延时问题,CPU接到和响应硬中断或异常后会立即调用中断或异常处理程序处理；对于接收到的信号或软件中断，此时由于进程未必占有处理器运行或内核正在执行敏感性操作，通常会有一定时间的延迟，在适当的时刻，内核或相关进程才能加以处理。 信号和软件中断虽然都由软件产生，并都由软件处理，但它们的中断来源、使用场合、实现手段并不相同。,中断/异常响应要做四件事,发现中断源： 保护现场： 转向处理中断/异常事件的处理程序： 恢复现场：,IBM中大型机中断响应过程,现行PSW,中断时保存现行PSW,中断时装

8、入 现行PSW,中断后恢复PSW,装配中断码,IBM PC机中断的响应过程,2.2.4 中断事件处理,1 中断和异常的一般处理过程 2 硬件故障中断 3 程序性中断 4 I/O中断 5 访管中断 6时钟中断,中断处理执行流程,1）设备发出中断请求，中断控制器根据IRQ号转换成中断向量号；CPU响应中断后，保存PSW等到核心栈，根据向量号查IDT，生成指向中断描述符表的指针，找到中断服务程序的地址，中断处理程序开始执行； 2)进入中断公共代码段common_interrupt处执行SAVE_ALL； 3)调用do_IRQ（）函数，设置中断源状态等；为发出中断请求的设备提供服务，标记中断下半部分；

9、 5)检查softirq_active和softirq_mask是否有标记的下半部分，有就调用do_softirq( )执行之； 6)跳转到ret_from_intr退出，恢复中断前的现场。,异常处理执行流程,1)异常产生后，将硬件错误码和异常向量号存入当前进程PCB中； 2)判别异常产生于核心态还是用户态，对于前者，转向内核预定义服务程序处理，没有被处理的核心态异常是操作系统的致命错误； 3)对于用户态异常，终止当前进程运行，调用force_sig( )函数给当前进程发信号； 4)从ret_from_exception处返回用户空间时，检查进程是否有信号等待处理，如果有则根据信号类型调用相应

10、函数进行处理。,时钟中断(1),时钟是操作系统进行调度工作的重要工具，如让分时进程作时间片轮转、让实时进程定时发出或接收控制信号、系统定时唤醒或阻塞一个进程、对用户进程进行记账 时钟可分成绝对时钟和间隔时钟两种,时钟中断(2),1) 绝对时钟服务 提供以下功能的函数： update_clock( )更新当前时间； get_time( )返回当前时钟值； set_clock( )把当前时间设置为新值。,时钟中断(3),2) 间隔定时器 进程可被延迟、阻塞，直到被间隔定时器中断信号唤醒，应提供以下函数： delay(tdel)把调用进程阻塞由参数tdel指定的时间长度，进程保持阻塞直到本地时间到达

11、进程阻塞时的当前时间+tdel的时刻。 set_timer(tdel)硬件间隔定时器被设置为起始的递减值tdel，当该值达到0时，产生间隔时钟中断，调用timeout( )函数进行处理。,时钟中断(4),3) 逻辑定时器需要提供函数： tn=creat_ltime( )：创建逻辑定时器，tn中存放返回标识符。 destroy_ltime(tn)：撤销tn标识的逻辑定时器。 set_ltime(tn,tv)：把tv值装到逻辑定时器tn中，当该值为0时，产生时间到中断。,时钟中断(5)利用间隔定时器实现函数delay,delay(tdel) set_timer(tdel); /硬件间隔时钟设置为t

12、del P(delsem); /进程执行P操作而阻塞，等待中断 / delsem为二元信号量，初值为0 timeout( ) V(delsem); /中断产生，执行V操作释放进程 ;,时钟中断(6),(1) 使用带有绝对唤醒定时器的优先级队列,时钟中断(7)进程进入定时器延时队列的算法,步1 使用get_time( )函数利用计算机本地时钟来获得当前时间； 步2 wakeup=当前时间+tdel，用以确定新元素移入队列中的位置； 步3 如果新元素的唤醒值小于队列中第一个元素的wakeup值，则新元素移入队列头部，同时，使用set_timer(tn,tdel)将硬件间隔定时器设为新的延迟间隔td

13、el。 步4 否则，按新元素的唤醒值移入队列的适当位置。,时钟中断(8),(2) 使用带有时间差值的优先级队列,时钟中断(9) set_ltimer(tn,tdel),查找左、右两个元素，在它们之间插入新元素，这个工作是通过累加元素中的差值来完成的，从间隔时钟的当前值开始，直到达tdel值； 把右元素中当前存储的差值分为两部分：一部分被存在新元素中，并且代表左元素与新元素之间的差值，另一部分是存储在右元素中，代表新元素与右元素之间的差值。,其他中断,硬件故障中断：硬件故障造成的；中断处理程序保护现场，停止设备工作，停止处理器运行，提供故障信息报告；并对破环进行估计和恢复。 程序性中断：包括语法

14、错误、逻辑错误和程序运行产生的异常。 I/O中断：I/O正常结束、I/O操作故障、I/O操作异常、设备报到或设备结束 访管中断：执行操作系统的功能调用，访管指令包括操作码和访管参数,2.2.5 中断优先级和多重中断,1 中断的优先级 2 中断的屏蔽 3 多重中断事件的处理,计算机执行的每一瞬间，可能有几个中断事件同时发生，中断装置如何来响应同时发生的中断呢? 以不发生中断丢失为前提，把紧迫程度相当的中断源归在同一级，紧迫程度差别大的中断源归在不同级，级别高的有优先获得响应的权力，中断装置预定的这个响应顺序称为中断优先级. 中断响应方式包括： 硬件方式:硬件链式排队器 软件方式:查询程序 中断优

15、先级只是表示中断装置响应中断的次序，系统设计时确定并且不能被改变；操作系统在处理响应中断时有先后次序问题，响应顺序和处理顺序未必一样，先响应的可以后处理。,中断优先级（1）,中断优先级（2）,IBM系列机中，硬件排定中断优先级响应次序，由高到低：机器校验中断、自愿性中断、程序性中断、外部中断、I/O中断； Linux Intel x86机中，允许有256个中断或异常信号，并分五类，硬件排定中断和异常优先级响应次序，由高到低：异常、软件中断、非屏蔽中断和可屏蔽中断。 在Windows运行的Intel x86系统中，先把中断事件排定一个中断请求优先级称为处理器的IRQL，当内核线程运行时，可以提高

16、或降低处理器的IRQL，如果中断源的IRQL等于或低于当前的中断优先级，则该中断被屏蔽，直到内核降低IRQL。,中断的屏蔽,CPU通过指令来设置可编程中断控制器的屏蔽码 主机可允许或禁止某类中断的响应，如允许或禁止所有的I/O中断、外部中断、及某些程序性中断。 有些中断是不能被禁止的，例如，计算机中的自愿性访管中断就不能被禁止。,多重中断事件的处理,中断正在进行处理期间，CPU又响应新的中断事件，于是暂时停止正在运行的中断处理程序，转去执行新的中断处理程序，就叫多重中断（又称中断嵌套）。处理方法： (1) 串行处理， (2) 嵌套处理， (3) 即时处理。,2.2.6 Linux中断处理,1

17、Linux内核处理流程,快中断与慢中断, Linux中，区分快中断和慢中断两类中断事件。 处理慢中断前需保存所有寄存器的内容，而快中断处理仅要保存被常规C函数修改的寄存器；慢中断处理时，不屏蔽其他中断信号，而快中断处理时会屏蔽所有其他中断； 慢中断处理完毕后，通常不立即返回被中断的进程，而是进入调度程序重新调度，调度结果未必是被中断的进程运行(是抢先式调度)。而快中断处理完毕后，通常恢复现场返回被中断的进程继续执行(是非抢先式调度)。,下半部分处理概述,中断处理程序的特点 什么是下半部分处理? Top half Bottom half,中断处理程序特点,以异步方式运行，可能会打断关键代码的执行

18、，甚至打断其他中断处理程序的执行； 在屏蔽中断状态下运行，最坏的情况会禁止所有中断； 要对硬件进行操作，有很高的时限要求；它在中断上下文中运行，故不能被阻塞 。,Linux各种下半部分机制,bottom half、 task queue、 tasklet、 work queue、 Softirq。,下半部分(bottom half),实现原理 BH数组、函数入口指针 bh_base、函数安装标志bh_mask 、函数处理标志bh_active BH的缺点：1，数量限制 2，必须在全局范围内同步,bh-mask 31 0,任务队列(task queue),实现原理：引入任务队列，实现对各种任务的

19、延迟执行。 预定任务队列： 1) 定时器队列(TQ_TIMER)： 2) 即时队列(TQ_IMMEDIATE)： 3) 进程调度队列(TQ_SCHEDULE)： 4) 磁盘队列(TQ_DISK)： 任务队列的缺点：灵活性差，不能胜任网络等对性能要求较高的子系统,小任务(tasklet),tasklet能更好支持SMP，它基于软中断来实现，但比软中断接口简单，锁保护要求低；softirq保留给执行频率及时间要求特高的下半部分使用(如网络和SCSI)，多数场合下可使用tasklet。 使用tasklet的步骤：声明 、编程、调度 。 BH全局串行处理，不适应SMP环境，而不同tasklet可同时运

20、行于不同CPU上，当然，系统保证相同tasklet不会同时在不同CPU上运行，在这种情形下，tasklet就不需要是可重入的。 在新版Linux中，tasklet是建议的异步任务延迟执行机制。,工作队列work queue,Linux 2.5内核引入-工作队列，它把一个任务延迟，并交给内核线程去完成，且该任务总是在进程上下文中执行，通过工作队列执行的代码能占尽进程上下文的优势，最重要的是工作队列允许重新调度及阻塞。 如果延迟执行的任务需要阻塞，需要获取信号量或需要获得大量主存时，那么，可选择工作队列，否则可使用tasklet或softirq。,软中断softirq (1),Linux沿用最早B

21、H思想，实现了庞大和复杂的软中断子系统-softirq，它是一种软中断机制，又是一个框架，包括tasklet，及为网络操作专门设计的软中断。 软中断结构： struct softirq_action void (*action)(struct softirq_action *); /待执行的函数 void *data; /传给函数的参数 ;,软中断softirq(2),最多注册32个软中断，目前预定义六个元素， enum HI_SOFTIRQ, /高优先级tasklet TIMER_SOFTIRQ /定时器下半部分 NET_TX_SOFTIRQ, /发送网络数据包 NET_RX_SOFTIRQ

22、, /接收网络数据包 SCSI_SOFTIRQ, /SCSI下半部分 TASKLET_SOFTIRQ, /公共tasklet ; 软中断使用步骤：声明 、注册 、触发 、处理 。,软中断softirq(3),软中断执行时机 ： 从系统调用中返回(ret_from_sys_call)时、 从异常中返回(ret_from_exception)时、 调度程序中(schedule)、 处理完硬件中断之后(do_IRQ)。,2.2.7Windows 2003中断处理,Window2003中断类型 1.中断有I/O设备、处理器时钟或定时器等，可以启用或禁用。中断是异步事件，可能随时发生，与处理器正在执行的内