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中斷是計算機處理數(shù)據(jù)的關鍵部分。

中斷是現(xiàn)代 CPU 工作方式中重要的部分。例如：當你每次在鍵盤上按下一個按鍵后，CPU 會被中斷以使得 PC 讀取用戶鍵盤的輸入。這個過程發(fā)生得相當快，以致于在使用體驗上你不會感到任何變化或損害。

此外，鍵盤并不是導致中斷的唯一組件。一般來說，有三種類型的事件會導致 CPU 發(fā)生中斷：硬件中斷、軟件中斷和異常。在具體介紹不同類型的中斷前，我需要先定義一些術語。

定義

中斷請求interrupt request（IRQ）是由可編程的中斷控制器programmable interrupt controlle（PIC）發(fā)起的，其目的是為了中斷 CPU 和執(zhí)行中斷服務程序interrupt service routine（ISR）。中斷服務程序（ISR）是一個小的程序，用來處理具體的數(shù)據(jù)，其具體的處理方式依賴于造成中斷請求（IRQ）的原因。之前正在運行的進程在中斷服務程序（ISR）運行結束前都會被中斷。

在過去，中斷請求由單獨的芯片處理（中斷控制器芯片 PIC），I/O 設備直接與中斷控制器（PIC）相連。中斷控制器（PIC）管理著多種硬件的中斷請求（IRQ），并且可以直接與 CPU 通信。當一個中斷請求（IRQ）產生后，中斷控制器（PIC）向 CPU 寫入數(shù)據(jù)，并且觸發(fā)中斷請求引腳（INTR）。

現(xiàn)如今，中斷請求（IRQ）由 CPU 中的高級可編程中斷控制器advanced programmable interrupt controller（APIC）部分來處理。每個核中都擁有屬于自己的高級可編程中斷控制器。

中斷的類型

正如我前文中提到的，中斷可以根據(jù)其來源分為三種類型。

硬件中斷

當一個硬件設備想要告訴 CPU 某一需要處理的數(shù)據(jù)已經準備好后（例如：當鍵盤被按下或者一個數(shù)據(jù)包到了網絡接口處），它將會發(fā)送一個中斷請求（IRQ）來告訴 CPU 數(shù)據(jù)是可用的。接下來會調用在內核啟動時設備驅動注冊的對應的中斷服務程序（ISR）。

軟件中斷

當你在播放一個視頻時，音頻和視頻是同步播放是相當重要的，這樣音樂的速度才不會變化。這是由軟件中斷實現(xiàn)的，由精確的計時器系統(tǒng)（稱為 jiffies）重復發(fā)起的。這個計時器會使得你的音樂播放器同步。軟件中斷也可以被特殊的指令所調用，來讀取或寫入數(shù)據(jù)到硬件設備。

當系統(tǒng)需要實時性時（例如在工業(yè)應用中），軟件中斷會變得重要。你可以在 Linux 基金會的文章中找到更多相關信息：面向嵌入式開發(fā)者的實時 Linux 介紹。

異常

異常exception是你可能之前就知道的中斷類型。當 CPU 執(zhí)行一些將會導致除零或缺頁錯誤的指令時，任何其他運行中的程序都會被中斷。在這種情況下，你會被一個彈窗提醒，或在控制臺輸出中看到**段錯誤segmentation fault（核心已轉儲core dumped）**。但并不是所有異常都是由指令錯誤引起的。

異常可以進一步分為錯誤Fault、陷阱Trap和終止Abort。

• 錯誤：錯誤是系統(tǒng)可以糾正的異常。例如當一個進程嘗試訪問某個已經被換出到硬盤的頁時。當請求的地址在進程的地址空間中，并且滿足訪問權限時，如果頁不在內存（RAM）中，將會產生一個中斷請求（IRQ），并開始啟用缺頁異常處理程序把所需的頁加載到內存中。如果操作成功執(zhí)行，程序將繼續(xù)運行。
• 陷阱：陷阱主要用在調試中。如果你在某個程序中設置了一個斷點，你就插入了一條可以觸發(fā)陷阱執(zhí)行的特殊指令。陷阱可以觸發(fā)上下文切換來允許你的調試器讀取和展示局部變量的值。之后程序可以繼續(xù)運行。陷阱同樣也是運行系統(tǒng)調用的方式（如殺死一個進程）
• 終止：終止是由系統(tǒng)表中的硬件錯誤或值不一致而導致的。終止不會報告造成異常的指令的所在位置。這是最嚴重的中斷，終止將會調用系統(tǒng)的終止異常處理程序來結束造成異常的進程。

動手實踐

中斷請求按照高級可編程中斷控制器（APIC）中的優(yōu)先級高低排序（0是最高優(yōu)先級）。前 32 個中斷（0~31）是由 CPU 指定的固定序列。你可以在 OsDev 異常 頁面找到關于它們的概述。隨后的中斷請求可以以不同的方式進行分配。中斷描述表interrupt descriptor table（IDT）中記錄了中斷請求（IRQ）和中斷服務程序（ISR）的對應關系。Linux 中定義了從 0 到 256 的 IRQ 向量。

為了打印出在你的系統(tǒng)中已注冊的中斷，打開一個終端并輸入：

cat /proc/interrupts

你應該會看到類似如下圖的結果： 

內核版本為5.6.6中注冊的中斷 (Stephan Avenwedde, CC BY-SA 4.0)

從左到右各列的含義依次為：中斷向量號、每個 CPU（0~n）中斷發(fā)生次數(shù)、硬件來源、硬件源通道信息、以及造成中斷請求的設備名。

在表的末尾，有一些非數(shù)字的中斷。它們是特定于體系結構的中斷，如本地計時器中斷local timer interrupt（LOC）的中斷請求（IRQ）號為 236。其中一些在 Linux 內核源樹中的Linux IRQ 向量布局中指定。 

特定于體系結構的中斷 (Stephan Avenwedde, CC BY-SA 4.0)

如果要實時獲取該表，請運行如下命令：

watch -n1 "cat /proc/interrupts"

總結

正確的中斷請求（IRQ）處理對于硬件、驅動和軟件的正常交互是必要的。幸運地是，Linux 內核很好地完成了它，一個 PC 的普通用戶幾乎不會注意到內核的整個中斷處理過程。

中斷相當復雜，本文僅僅是一個關于中斷的概述。如果想要深入了解該主題可以閱讀 Linux Inside 電子書（CC BY-NC-SA 4.0）和 Linux 內核教程 倉庫?！揪庉嬐扑]】