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Linux中断定义与初始化

2012年04月17日 ⁄ 综合 ⁄ 共 1899字 ⁄ 字号 评论关闭

1.中断的分类

早期以及一般情况下,我们所说的中断即指由外设所产生的中断。随着计算机的迅速发展,中断不再仅仅局限于外部设备,CPU本身也会产生中断,不过我们将这种中断称为异常。

对于x86体系结构而言,中断可以分为两大类:同步中断和异步中断。同步中断即我们上面所说的异常,它是由 CPU 在执行非法命令时所产生的。之所以称为同步,是因为这种中断请求信号与代码指令同步执行,也就是说只有在一条指令执行完毕后 CPU 才会发出中断,而不是发生在代码指令执行期间。而异步中断即由外部设备产生的中断,这种中断可以随时发生,习惯上,我们将异步中断仍然称为中断。

中断可分为可屏蔽中断(Maskable interrupt)和不可屏蔽中断(Nomaskable interrupt)。异常可分为故障(fault)、陷阱(trap)、终止(abort)三类。

可屏蔽中断主要是针对外部设备所产生的中断信号,不可屏蔽中断一般是指计算机内部硬件产生的中断。由于异常是CPU发出的中断信号,与中断控制器(下文有解释)无关,因此异常不能被屏蔽。那么,异常和不可屏蔽中断有些相似点:它们均与外部设备无关,并且均不能被屏蔽。

2.中断控制器

中断控制器可分为可编程中断控制器(Programmable Interrupt Controller,PIC)和高级可编程中断控制器(Advanced Programmable Interrupt Controller,APIC)。前者仅可用于单处理器(Uni-processor)平台,后者则可用于多处理器(Mutiliple Processor)平台。

传统的PIC都是通过两片级联的8259A来管理和控制15个由外部设备所产生的中断源。由下图可看到,每片8259A芯片最多可管理8个中断源。但由于两片8259A芯片的级联,即从片的INT输出端与主片的2号(第三条线)中断线相连接,所以总共可以管理15个中断源。

外设和中断控制器上每根相连的线被称为中断线(也称为IRQ线)。对这些中断线进行编号就形成了中断号。IRQn线所对应的中断号即为n。当外部设备产生中断时,就通过中断线向系统发出中断请求(Interrupt ReQuirement)。由于中断控制器只能控制15个中断源,而如今的外设又日益剧增,因此就出现了对各外设共享一条中断线的情况,即中断共享(后文会有详细解释)。

上面已经说过,外部设备的中断请求可以被屏蔽,但是具体体现到硬件上是如何做到的?在每个8259A芯片上都有一个8位的中断屏蔽寄存器,每一位对应一条中断线。在对应为上置1则可屏蔽此条中断线;相反置0则可启动此条中断线。

需要说明的是,现在大多数计算机都使用的是APIC,可以通过查看/proc/interrupts文件获取中断控制器的名称。之所以将传统的8259A作为PIC的举例来学习,最大的原因还是因为它非常的经典,就如同古董——8086处理器一样。通过查看/proc/interrupts文件,可以发现APIC的中断号并不止15个(但即便是这样,还需要共享中断)。

3.中断向量

x86体系结构支持256种中断,即256个中断源。将这些中断源按照0到255的顺序对每种中断进行编号,这个编号叫做中断向量,通常使用8位无符号整数来存储这个向量。中断号和中断向量存在一对一的映射关系。

中断号和中断向量是两个不同的概念。当I/O设备把中断信号发送给中断控制器时,与之关联的是一个中断号;而当中断控制器将该中断信号传递给CPU时,与之关联的是一个中断向量。也就是说,中断号是以中断控制器的角度而言的;而中断向量则是以CPU的角度而言的。中断号和中断向量存在一对一的映射关系。

通常,Intel将编号为0~31的向量分配给异常和非屏蔽中断,这部分向量是固定的。因此在8259A默认情况下,中断号n所对应的中断向量为n+32。

4.中断服务例程

在响应一个具体的中断时,内核会执行一个函数,该函数被称为中断服务例程(Interrupt Service Routine,ISR)。每一个设备的驱动程序中都会定义相关的中断服务例程。从下面的代码可以看到,中断服务例程有两个参数,分别为int型和void指针型。并且返回值为irqreturn_t。

01 //linux/include/linux/interrupt.h
02  98typedef
irqreturn_t (*irq_handler_t)(
intvoid *);
03 //linux/include/linux/irqreturn.h
04  10enum
irqreturn {
05  11       
IRQ_NONE,

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