ch2-2.2中斷技術(shù).ppt

1、2.2中斷技術(shù),2.2.1 中斷概念 2.2.2 中斷源分類 2.2.3 中斷和異常的響應(yīng)及服務(wù) 2.2.4 中斷事件處理 2.2.5 中斷優(yōu)先級(jí)和多重中斷 2.2.6 Linux中斷處理 2.2.7 Windows 2003中斷處理,2.2.1中斷的概念,請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)， 實(shí)現(xiàn)并行工作， 處理突發(fā)事件， 滿足實(shí)時(shí)要求， 都需要打斷處理器正常的工作，為此，提出了中斷概念。,中斷的定義,中斷是指程序執(zhí)行過程中，遇到急需處理的事件時(shí)，暫時(shí)中止CPU上現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完成后再返回原程序被中斷處(斷點(diǎn))或調(diào)度其他程序執(zhí)行的過程。,2.2.2中斷源分類(1),從中斷事件的

2、性質(zhì)和激活的手段來說，可以分成兩類： 強(qiáng)迫性中斷事件強(qiáng)迫性中斷事件不是正在運(yùn)行的程序所期待的，而是由于某種事故或外部請(qǐng)求信息所引起的，分為： 機(jī)器故障中斷事件。 程序性中斷事件。 外部中斷事件。 輸入輸出中斷事件。 自愿性中斷事件自愿性中斷事件是正在運(yùn)行的程序所期待的事件。是訪管指令引起的。,中斷源分類(2)按中斷事件的性質(zhì)和激活方式劃分,中斷源分類(3),硬中斷,軟中斷,外中斷(中斷、異步中斷),內(nèi)中斷(異常、同步中斷),信號(hào),軟件中斷,按事件來源和實(shí)現(xiàn)手段分類,中斷源分類(4), 外中斷(中斷或異步中斷)-指來自處理器之外的中斷信號(hào)，包括時(shí)鐘中斷、鍵盤中斷和設(shè)備中斷等；外中斷又分可屏蔽中斷

3、和不可屏蔽中斷，每個(gè)不同中斷具有不同中斷優(yōu)先級(jí)，表示事件的緊急程度，在處理高一級(jí)中斷時(shí)，往往會(huì)屏蔽部分或全部低級(jí)中斷。 內(nèi)中斷(異?；蛲街袛?-指來自處理器內(nèi)部，通常由于程序執(zhí)行中，出現(xiàn)與當(dāng)前指令關(guān)聯(lián)的、不正常的、或是錯(cuò)誤的事件。,中斷和異常的區(qū)別, 中斷是由與現(xiàn)行指令無關(guān)的中斷信號(hào)觸發(fā)的(異步的)，且中斷的發(fā)生與CPU處在用戶模式或內(nèi)核模式無關(guān)，在兩條機(jī)器指令之間才可響應(yīng)中斷，一般來說，中斷處理程序提供的服務(wù)不是為當(dāng)前進(jìn)程所需的； 異常是由處理器正在執(zhí)行現(xiàn)行指令而引起的，一條指令執(zhí)行期間允許響應(yīng)異常，異常處理程序提供的服務(wù)是為當(dāng)前進(jìn)程所用的。異常包括很多方面，有出錯(cuò)(fault)，也有陷入

4、(trap)等。,Linux異常, Linux為例，異常按錯(cuò)誤報(bào)告方式分四種： 故障、 陷阱、 終止、 編程異常。 故障-發(fā)生時(shí)保存的返回指令地址指向觸發(fā)異常的當(dāng)前那條指令，故障處理后會(huì)重新執(zhí)行。 編程異常和陷阱-由于執(zhí)行訪管指令引起的同步操作，異常返回時(shí)，回到觸發(fā)異常的下一條指令。,硬中斷與軟中斷,中斷和異常要通過硬件設(shè)施來產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，是硬中斷。 軟中斷是利用硬中斷的概念，用軟件方法對(duì)中斷機(jī)制進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)宏觀上的異步執(zhí)行效果。 軟中斷分：“信號(hào)”和“軟件中斷”。,中斷的通常用法,“中斷”(硬中斷)用于外部設(shè)備對(duì)CPU的中斷(中斷的是正在運(yùn)行的任何程序)，轉(zhuǎn)向中斷處理程序執(zhí)行； “異?！?

5、硬中斷)因指令執(zhí)行不正常而中斷CPU(中斷的是正在執(zhí)行這條指令的程序)，轉(zhuǎn)向異常處理程序； “軟件中斷”(軟中斷)用于硬中斷服務(wù)程序?qū)?nèi)核的中斷，在上半部分中發(fā)出軟件中斷(即標(biāo)記下半部分)，使得中斷下半部分在適當(dāng)時(shí)刻獲得處理； “信號(hào)”(軟中斷)用于內(nèi)核或進(jìn)程對(duì)某個(gè)進(jìn)程的中斷，通知進(jìn)程某個(gè)特定事件發(fā)生或迫使進(jìn)程執(zhí)行信號(hào)處理程序。,中斷機(jī)制與信號(hào)機(jī)制進(jìn)行類比,相同點(diǎn)：(1)概念上是一致的 ，(2)兩者都是“異步”的 ，(3)實(shí)現(xiàn)上均采用“向量表”，(4）均具有“屏蔽”設(shè)施。 區(qū)別是：中斷機(jī)制由硬件與軟件相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，而信號(hào)機(jī)制由軟件實(shí)現(xiàn)；中斷向量表和中斷處理程序(由系統(tǒng)提供)均在系統(tǒng)空間，而信號(hào)

6、向量表雖在系統(tǒng)空間，但信號(hào)處理程序由應(yīng)用程序提供，并在用戶空間執(zhí)行。,硬中斷與軟中斷BH進(jìn)行類比,(1)數(shù)組bh_base 相當(dāng)于硬件中斷機(jī)制中的數(shù)組irq_desc ； (2）bh_active在概念上相當(dāng)于硬件的“中斷請(qǐng)求寄存器”，而bh_mask相當(dāng)于硬件中的“中斷屏蔽寄存器”； (3)執(zhí)行一個(gè)BH函數(shù)時(shí)，就通過mark_bh( )將bh_active中的某位設(shè)成1，相當(dāng)于中斷源發(fā)出(軟件)中斷請(qǐng)求，所設(shè)置的具體標(biāo)志位則類似于“中斷向量”； (4)如果bh_mask中的相應(yīng)位是l，就會(huì)在每次執(zhí)行完do_IRQ（）中的中斷服務(wù)程序后，及每次系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，在函數(shù)do_bottom_half

7、（）中執(zhí)行相應(yīng)BH函數(shù)，而do_bottom_half（），則類似于do_IRQ( )。,硬中斷或軟中斷處理延時(shí)問題,CPU接到和響應(yīng)硬中斷或異常后會(huì)立即調(diào)用中斷或異常處理程序處理；對(duì)于接收到的信號(hào)或軟件中斷，此時(shí)由于進(jìn)程未必占有處理器運(yùn)行或內(nèi)核正在執(zhí)行敏感性操作，通常會(huì)有一定時(shí)間的延遲，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，內(nèi)核或相關(guān)進(jìn)程才能加以處理。 信號(hào)和軟件中斷雖然都由軟件產(chǎn)生，并都由軟件處理，但它們的中斷來源、使用場(chǎng)合、實(shí)現(xiàn)手段并不相同。,中斷/異常響應(yīng)要做四件事,發(fā)現(xiàn)中斷源： 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)： 轉(zhuǎn)向處理中斷/異常事件的處理程序： 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)：,IBM中大型機(jī)中斷響應(yīng)過程,現(xiàn)行PSW,中斷時(shí)保存現(xiàn)行PSW,中斷時(shí)裝

8、入 現(xiàn)行PSW,中斷后恢復(fù)PSW,裝配中斷碼,IBM PC機(jī)中斷的響應(yīng)過程,2.2.4 中斷事件處理,1 中斷和異常的一般處理過程 2 硬件故障中斷 3 程序性中斷 4 I/O中斷 5 訪管中斷 6時(shí)鐘中斷,中斷處理執(zhí)行流程,1）設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求，中斷控制器根據(jù)IRQ號(hào)轉(zhuǎn)換成中斷向量號(hào)；CPU響應(yīng)中斷后，保存PSW等到核心棧，根據(jù)向量號(hào)查IDT，生成指向中斷描述符表的指針，找到中斷服務(wù)程序的地址，中斷處理程序開始執(zhí)行； 2)進(jìn)入中斷公共代碼段common_interrupt處執(zhí)行SAVE_ALL； 3)調(diào)用do_IRQ（）函數(shù)，設(shè)置中斷源狀態(tài)等；為發(fā)出中斷請(qǐng)求的設(shè)備提供服務(wù)，標(biāo)記中斷下半部分；

9、 5)檢查softirq_active和softirq_mask是否有標(biāo)記的下半部分，有就調(diào)用do_softirq( )執(zhí)行之； 6)跳轉(zhuǎn)到ret_from_intr退出，恢復(fù)中斷前的現(xiàn)場(chǎng)。,異常處理執(zhí)行流程,1)異常產(chǎn)生后，將硬件錯(cuò)誤碼和異常向量號(hào)存入當(dāng)前進(jìn)程PCB中； 2)判別異常產(chǎn)生于核心態(tài)還是用戶態(tài)，對(duì)于前者，轉(zhuǎn)向內(nèi)核預(yù)定義服務(wù)程序處理，沒有被處理的核心態(tài)異常是操作系統(tǒng)的致命錯(cuò)誤； 3)對(duì)于用戶態(tài)異常，終止當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行，調(diào)用force_sig( )函數(shù)給當(dāng)前進(jìn)程發(fā)信號(hào)； 4)從ret_from_exception處返回用戶空間時(shí)，檢查進(jìn)程是否有信號(hào)等待處理，如果有則根據(jù)信號(hào)類型調(diào)用相應(yīng)

10、函數(shù)進(jìn)行處理。,時(shí)鐘中斷(1),時(shí)鐘是操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度工作的重要工具，如讓分時(shí)進(jìn)程作時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、讓實(shí)時(shí)進(jìn)程定時(shí)發(fā)出或接收控制信號(hào)、系統(tǒng)定時(shí)喚醒或阻塞一個(gè)進(jìn)程、對(duì)用戶進(jìn)程進(jìn)行記賬 時(shí)鐘可分成絕對(duì)時(shí)鐘和間隔時(shí)鐘兩種,時(shí)鐘中斷(2),1) 絕對(duì)時(shí)鐘服務(wù) 提供以下功能的函數(shù)： update_clock( )更新當(dāng)前時(shí)間； get_time( )返回當(dāng)前時(shí)鐘值； set_clock( )把當(dāng)前時(shí)間設(shè)置為新值。,時(shí)鐘中斷(3),2) 間隔定時(shí)器 進(jìn)程可被延遲、阻塞，直到被間隔定時(shí)器中斷信號(hào)喚醒，應(yīng)提供以下函數(shù)： delay(tdel)把調(diào)用進(jìn)程阻塞由參數(shù)tdel指定的時(shí)間長度，進(jìn)程保持阻塞直到本地時(shí)間到達(dá)

11、進(jìn)程阻塞時(shí)的當(dāng)前時(shí)間+tdel的時(shí)刻。 set_timer(tdel)硬件間隔定時(shí)器被設(shè)置為起始的遞減值tdel，當(dāng)該值達(dá)到0時(shí)，產(chǎn)生間隔時(shí)鐘中斷，調(diào)用timeout( )函數(shù)進(jìn)行處理。,時(shí)鐘中斷(4),3) 邏輯定時(shí)器需要提供函數(shù)： tn=creat_ltime( )：創(chuàng)建邏輯定時(shí)器，tn中存放返回標(biāo)識(shí)符。 destroy_ltime(tn)：撤銷tn標(biāo)識(shí)的邏輯定時(shí)器。 set_ltime(tn,tv)：把tv值裝到邏輯定時(shí)器tn中，當(dāng)該值為0時(shí)，產(chǎn)生時(shí)間到中斷。,時(shí)鐘中斷(5)利用間隔定時(shí)器實(shí)現(xiàn)函數(shù)delay,delay(tdel) set_timer(tdel); /硬件間隔時(shí)鐘設(shè)置為t

12、del P(delsem); /進(jìn)程執(zhí)行P操作而阻塞，等待中斷 / delsem為二元信號(hào)量，初值為0 timeout( ) V(delsem); /中斷產(chǎn)生，執(zhí)行V操作釋放進(jìn)程 ;,時(shí)鐘中斷(6),(1) 使用帶有絕對(duì)喚醒定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,時(shí)鐘中斷(7)進(jìn)程進(jìn)入定時(shí)器延時(shí)隊(duì)列的算法,步1 使用get_time( )函數(shù)利用計(jì)算機(jī)本地時(shí)鐘來獲得當(dāng)前時(shí)間； 步2 wakeup=當(dāng)前時(shí)間+tdel，用以確定新元素移入隊(duì)列中的位置； 步3 如果新元素的喚醒值小于隊(duì)列中第一個(gè)元素的wakeup值，則新元素移入隊(duì)列頭部，同時(shí)，使用set_timer(tn,tdel)將硬件間隔定時(shí)器設(shè)為新的延遲間隔td

13、el。 步4 否則，按新元素的喚醒值移入隊(duì)列的適當(dāng)位置。,時(shí)鐘中斷(8),(2) 使用帶有時(shí)間差值的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,時(shí)鐘中斷(9) set_ltimer(tn,tdel),查找左、右兩個(gè)元素，在它們之間插入新元素，這個(gè)工作是通過累加元素中的差值來完成的，從間隔時(shí)鐘的當(dāng)前值開始，直到達(dá)tdel值； 把右元素中當(dāng)前存儲(chǔ)的差值分為兩部分：一部分被存在新元素中，并且代表左元素與新元素之間的差值，另一部分是存儲(chǔ)在右元素中，代表新元素與右元素之間的差值。,其他中斷,硬件故障中斷：硬件故障造成的；中斷處理程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，停止設(shè)備工作，停止處理器運(yùn)行，提供故障信息報(bào)告；并對(duì)破環(huán)進(jìn)行估計(jì)和恢復(fù)。 程序性中斷：包括語法

14、錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)誤和程序運(yùn)行產(chǎn)生的異常。 I/O中斷：I/O正常結(jié)束、I/O操作故障、I/O操作異常、設(shè)備報(bào)到或設(shè)備結(jié)束 訪管中斷：執(zhí)行操作系統(tǒng)的功能調(diào)用，訪管指令包括操作碼和訪管參數(shù),2.2.5 中斷優(yōu)先級(jí)和多重中斷,1 中斷的優(yōu)先級(jí) 2 中斷的屏蔽 3 多重中斷事件的處理,計(jì)算機(jī)執(zhí)行的每一瞬間，可能有幾個(gè)中斷事件同時(shí)發(fā)生，中斷裝置如何來響應(yīng)同時(shí)發(fā)生的中斷呢? 以不發(fā)生中斷丟失為前提，把緊迫程度相當(dāng)?shù)闹袛嘣礆w在同一級(jí)，緊迫程度差別大的中斷源歸在不同級(jí)，級(jí)別高的有優(yōu)先獲得響應(yīng)的權(quán)力，中斷裝置預(yù)定的這個(gè)響應(yīng)順序稱為中斷優(yōu)先級(jí). 中斷響應(yīng)方式包括： 硬件方式:硬件鏈?zhǔn)脚抨?duì)器 軟件方式:查詢程序 中斷優(yōu)

15、先級(jí)只是表示中斷裝置響應(yīng)中斷的次序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定并且不能被改變；操作系統(tǒng)在處理響應(yīng)中斷時(shí)有先后次序問題，響應(yīng)順序和處理順序未必一樣，先響應(yīng)的可以后處理。,中斷優(yōu)先級(jí)（1）,中斷優(yōu)先級(jí)（2）,IBM系列機(jī)中，硬件排定中斷優(yōu)先級(jí)響應(yīng)次序，由高到低：機(jī)器校驗(yàn)中斷、自愿性中斷、程序性中斷、外部中斷、I/O中斷； Linux Intel x86機(jī)中，允許有256個(gè)中斷或異常信號(hào)，并分五類，硬件排定中斷和異常優(yōu)先級(jí)響應(yīng)次序，由高到低：異常、軟件中斷、非屏蔽中斷和可屏蔽中斷。 在Windows運(yùn)行的Intel x86系統(tǒng)中，先把中斷事件排定一個(gè)中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)稱為處理器的IRQL，當(dāng)內(nèi)核線程運(yùn)行時(shí)，可以提高

16、或降低處理器的IRQL，如果中斷源的IRQL等于或低于當(dāng)前的中斷優(yōu)先級(jí)，則該中斷被屏蔽，直到內(nèi)核降低IRQL。,中斷的屏蔽,CPU通過指令來設(shè)置可編程中斷控制器的屏蔽碼 主機(jī)可允許或禁止某類中斷的響應(yīng)，如允許或禁止所有的I/O中斷、外部中斷、及某些程序性中斷。 有些中斷是不能被禁止的，例如，計(jì)算機(jī)中的自愿性訪管中斷就不能被禁止。,多重中斷事件的處理,中斷正在進(jìn)行處理期間，CPU又響應(yīng)新的中斷事件，于是暫時(shí)停止正在運(yùn)行的中斷處理程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行新的中斷處理程序，就叫多重中斷（又稱中斷嵌套）。處理方法： (1) 串行處理， (2) 嵌套處理， (3) 即時(shí)處理。,2.2.6 Linux中斷處理,1

17、Linux內(nèi)核處理流程,快中斷與慢中斷, Linux中，區(qū)分快中斷和慢中斷兩類中斷事件。 處理慢中斷前需保存所有寄存器的內(nèi)容，而快中斷處理僅要保存被常規(guī)C函數(shù)修改的寄存器；慢中斷處理時(shí)，不屏蔽其他中斷信號(hào)，而快中斷處理時(shí)會(huì)屏蔽所有其他中斷； 慢中斷處理完畢后，通常不立即返回被中斷的進(jìn)程，而是進(jìn)入調(diào)度程序重新調(diào)度，調(diào)度結(jié)果未必是被中斷的進(jìn)程運(yùn)行(是搶先式調(diào)度)。而快中斷處理完畢后，通常恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回被中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行(是非搶先式調(diào)度)。,下半部分處理概述,中斷處理程序的特點(diǎn) 什么是下半部分處理? Top half Bottom half,中斷處理程序特點(diǎn),以異步方式運(yùn)行，可能會(huì)打斷關(guān)鍵代碼的執(zhí)行

18、，甚至打斷其他中斷處理程序的執(zhí)行； 在屏蔽中斷狀態(tài)下運(yùn)行，最壞的情況會(huì)禁止所有中斷； 要對(duì)硬件進(jìn)行操作，有很高的時(shí)限要求；它在中斷上下文中運(yùn)行，故不能被阻塞 。,Linux各種下半部分機(jī)制,bottom half、 task queue、 tasklet、 work queue、 Softirq。,下半部分(bottom half),實(shí)現(xiàn)原理 BH數(shù)組、函數(shù)入口指針 bh_base、函數(shù)安裝標(biāo)志bh_mask 、函數(shù)處理標(biāo)志bh_active BH的缺點(diǎn)：1，數(shù)量限制 2，必須在全局范圍內(nèi)同步,bh-mask 31 0,任務(wù)隊(duì)列(task queue),實(shí)現(xiàn)原理：引入任務(wù)隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種任務(wù)的

19、延遲執(zhí)行。 預(yù)定任務(wù)隊(duì)列： 1) 定時(shí)器隊(duì)列(TQ_TIMER)： 2) 即時(shí)隊(duì)列(TQ_IMMEDIATE)： 3) 進(jìn)程調(diào)度隊(duì)列(TQ_SCHEDULE)： 4) 磁盤隊(duì)列(TQ_DISK)： 任務(wù)隊(duì)列的缺點(diǎn)：靈活性差，不能勝任網(wǎng)絡(luò)等對(duì)性能要求較高的子系統(tǒng),小任務(wù)(tasklet),tasklet能更好支持SMP，它基于軟中斷來實(shí)現(xiàn)，但比軟中斷接口簡單，鎖保護(hù)要求低；softirq保留給執(zhí)行頻率及時(shí)間要求特高的下半部分使用(如網(wǎng)絡(luò)和SCSI)，多數(shù)場(chǎng)合下可使用tasklet。 使用tasklet的步驟：聲明 、編程、調(diào)度 。 BH全局串行處理，不適應(yīng)SMP環(huán)境，而不同tasklet可同時(shí)運(yùn)

20、行于不同CPU上，當(dāng)然，系統(tǒng)保證相同tasklet不會(huì)同時(shí)在不同CPU上運(yùn)行，在這種情形下，tasklet就不需要是可重入的。 在新版Linux中，tasklet是建議的異步任務(wù)延遲執(zhí)行機(jī)制。,工作隊(duì)列work queue,Linux 2.5內(nèi)核引入-工作隊(duì)列，它把一個(gè)任務(wù)延遲，并交給內(nèi)核線程去完成，且該任務(wù)總是在進(jìn)程上下文中執(zhí)行，通過工作隊(duì)列執(zhí)行的代碼能占盡進(jìn)程上下文的優(yōu)勢(shì)，最重要的是工作隊(duì)列允許重新調(diào)度及阻塞。 如果延遲執(zhí)行的任務(wù)需要阻塞，需要獲取信號(hào)量或需要獲得大量主存時(shí)，那么，可選擇工作隊(duì)列，否則可使用tasklet或softirq。,軟中斷softirq (1),Linux沿用最早B

21、H思想，實(shí)現(xiàn)了龐大和復(fù)雜的軟中斷子系統(tǒng)-softirq，它是一種軟中斷機(jī)制，又是一個(gè)框架，包括tasklet，及為網(wǎng)絡(luò)操作專門設(shè)計(jì)的軟中斷。 軟中斷結(jié)構(gòu)： struct softirq_action void (*action)(struct softirq_action *); /待執(zhí)行的函數(shù) void *data; /傳給函數(shù)的參數(shù) ;,軟中斷softirq(2),最多注冊(cè)32個(gè)軟中斷，目前預(yù)定義六個(gè)元素， enum HI_SOFTIRQ, /高優(yōu)先級(jí)tasklet TIMER_SOFTIRQ /定時(shí)器下半部分 NET_TX_SOFTIRQ, /發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包 NET_RX_SOFTIRQ

22、, /接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包 SCSI_SOFTIRQ, /SCSI下半部分 TASKLET_SOFTIRQ, /公共tasklet ; 軟中斷使用步驟：聲明 、注冊(cè) 、觸發(fā) 、處理 。,軟中斷softirq(3),軟中斷執(zhí)行時(shí)機(jī) ： 從系統(tǒng)調(diào)用中返回(ret_from_sys_call)時(shí)、 從異常中返回(ret_from_exception)時(shí)、 調(diào)度程序中(schedule)、 處理完硬件中斷之后(do_IRQ)。,2.2.7Windows 2003中斷處理,Window2003中斷類型 1.中斷有I/O設(shè)備、處理器時(shí)鐘或定時(shí)器等，可以啟用或禁用。中斷是異步事件，可能隨時(shí)發(fā)生，與處理器正在執(zhí)行的內(nèi)