unix内核源码剖析【5. 中断与陷入】

一、参考

Unix内核源码剖析

二、名词解释

psw: 状态寄存器
pc: r7, 通用寄存器r7, 程序计数器，从r7寄存器指示的内存地址中读取指令，解释并且执行该指令，处理完成后r7将指向容纳下一条指令的内存地址

三、正文

3.1 引言

周边设备发出的请求以及CPU内部特定的事件，以中断或者陷入的形式加以处理。
执行中的进程将暂停运行，转而处理发生的中断或者陷入，等待处理完成后，再继续运行被暂停的进程。
系统调用通过陷入机制实现。

3.2 中断和陷入定义

3.2.1 中断

当周边设备发出请求时候，暂停执行中的进程，转而执行与请求相对应的处理。等待处理完成后再恢复被暂停的进程。对中断请求进行处理的函数称为中断处理函数

中断请求类型：
（1）块设备处理完成通知
（2）终端输入
（3）时钟中断

如果没有中断的机制，提出请求的进程必须定期检查是否发出了处理结束的通知，这种方式称为轮询。与处理器相比，周边设备的处理速度比较慢，轮询花费的时间变长。

中断是一种对进程运行和异步事件进行高效处理的机制。

中断处理函数由内核进程负责执行，在运行用户进程时候发生中断的场景，通过硬件切换到内核进程。

被中断的进程的数据暂存于内核栈之中。当中断处理函数结束后，将恢复内核栈中的数据，继续处理被中断的进程。

3.2.2 陷入

陷入和中断相同点：都会引起执行进程的暂停和恢复处理
不同点：陷入是由CPU内部事件引起的

当程序执行发生了异常时候，设置PSW的陷入位，表示陷入被触发。
异常情况：
（1）被0除
（2）访问了未被分配的区域
（3）总线超时

因为存在陷入机制，所以用户程序不必每次都确认异常情况，或者逐一处理。当异常出现时候，会触发陷入，自动执行共用的处理。当某种陷入发生时候，如果希望在对其进行适当的处理后继续原有的操作，可以定义独自的陷入处理函数来实现。

由内核进程触发的陷入，通常由独自定义的陷入处理函数处理，内核程序在执行可能会触发陷入的指令之前，将变量nofault设定为与此陷入相对应的处理函数的地址，当陷入发生时候，nofault指向的处理函数将自动运行。

用户程序触发的陷入最终作为信号被处理。通过对信号设定处理函数，在异常发生时候可以进行独自处理。

系统调用：用户执行汇编器的sys指令后触发表示系统调用的陷入，系统调用存在多种类型，通过sys指令的第一个参数指定，有的系统调用还带有自己的参数，参数的指定方法因为系统调用种类的不同而不同。sys指令为汇编器的模拟指令，实际触发陷入机制的指令为trap, 指令的低位比特含有表示陷入种类的值，汇编器将sys指令和第一个参数，编码为trap指令。

从用户进程切换到内核进程并且进行相应处理的过程，都是利用陷入实现的。

3.3 优先级和向量

中断含有0到7的中断优先级，当PSW中的处理器优先级大于或者等于中断优先级时候，中断不会被处理。
周边设备将持续发出中断请求，直到处理器优先级下降，该中断得到处理。
（注：中断优先级数值越大，表示处理器将越有可能执行该中断事件）

处理器优先级可以通过spln()函数进行变更spl0~spl7

执行中断处理函数时候，处理器优先级被设置为中断优先级的值，在处理过程中也可以提高处理器优先级。
但是，用小于中断优先级执行中断处理函数会导致一些问题。
在运行中断处理函数时候，如果再次收到相同类型的中断请求，中断与由中断处理引起的副作用在发生的顺序上，会出现逆转。如下：

陷入的优先级相当于中断优先级的8，无论当前处理器的优先级的值是多少，当发生陷入时候，都会马上得到处理。

中断和陷入向量是一些预设的PSW的值和pc值的存放地址。内核进程在开始处理中断和陷入时候会使用这些预设值设置PSW和pc寄存器。

3.4 中断和陷入处理流程

中断和陷入由发生到处理结束基本遵循相同的处理流程：
（1）中断或者陷入发生；
（2）将当前的PSW和pc保存于内核栈；
（3）从向量指定的地址读取PSW和pc；
（4）执行call或者trap;
（5）执行中断处理函数或者陷入处理函数；
（6）从内核栈中恢复PSW和pc