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Linux操作系统下CPU的中断

巴扎黑

Lepaskan： 2017-07-24 11:05:25

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中断其实就是由硬件或软件所发送的一种称为IRQ（中断请求）的信号。

中断允许让设备，如键盘，串口卡，并口等设备表明它们需要CPU。

一旦CPU接收了中断请求，CPU就会暂时停止执行正在运行的程序，并且调用一个称为中断处理器或中断服务程序（interrupt service routine）的特定程序。

中断服务程序或中断处理器可以在中断向量表中找到，而这个中断向量表位于内存中的固定地址中。中断被CPU处理后，就会恢复执行之前被中断的程序。

其实，在机器启动的时候，系统就已经识别了所有设备，并且也把相应的中断处理器加载到中断表中。

下面是请求CPU关注的两种方式：
1. 基于中断
2. 基于轮询

所有的linux操作系统都是基于中断驱动的。

当我们在键盘上按下一个按键时，键盘就会对CPU说，一个键已经被按下。在这种情况下，键盘的IRQ线路中的电压就会发生一次变化，而这种电压的变化就是来自设备的请求，就相当于说这个设备有一个请求需要处理。

/proc/interrupts 文件
在linux的机器上，/proc/interrupts这个文件包含有关于哪些中断正在使用和每个处理器各被中断了多少次的信息。
# cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1 CPU2 CPU3
0: 3710374484 0 0 0 IO-APIC-edge timer
1: 20 0 0 0 IO-APIC-edge i8042
6: 5 0 0 0 IO-APIC-edge floppy
7: 0 0 0 0 IO-APIC-edge parport0
8: 0 0 0 0 IO-APIC-edge rtc
9: 0 0 0 0 IO-APIC-level acpi
12: 240 0 0 0 IO-APIC-edge i8042
14: 11200026 0 0 0 IO-APIC-edge ide0
51: 61281329 0 0 0 IO-APIC-level ioc0
59: 1 0 0 0 IO-APIC-level vmci
67: 19386473 0 0 0 IO-APIC-level eth0
75: 94595340 0 0 0 IO-APIC-level eth1
NMI: 0 0 0 0
LOC: 3737150067 3737142382 3737145101 3737144204
ERR: 0
MIS: 0

对上面文件的输出，解释如下：
● 第一列表示IRQ号
● 第二、三、四列表示相应的CPU核心被中断的次数。在上面的例子中，timer表示中断名称（为系统时钟）。3710374484表示CPU0被中断了3710374484次。i8042表示控制键盘和鼠标的键盘控制器。
● 对于像rtc（real time clock）这样的中断，CPU是不会被中断的。因为RTC存在于电子设备中，是用于追踪时间的。
● NMI和LOC是系统所使用的驱动，用户无法访问和配置。

IRQ号决定了需要被CPU处理的优先级。IRQ号越小意味着优先级越高。
例如，如果CPU同时接收了来自键盘和系统时钟的中断，那么CPU首先会服务于系统时钟，因为他的IRQ号是 0 。
● IRQ0 ：系统时钟（不能改变）
● IRQ1 ：键盘控制器（不能改变）
● IRQ3 ：串口2的串口控制器（如有串口4，则其也使用这个中断）
● IRQ4 ：串口1的串口控制器（如有串口3，则其也使用这个中断）
● IRQ5 ：并口2和3 或声卡
● IRQ6 ：软盘控制器
● IRQ7 : 并口1。它被用于打印机或若是没有打印机，可以用于任何的并口。

而对于像操作杆（或称为游戏手柄）上的CPU，它并不会等待设备发送中断。因为操作杆主要用于游戏，操作杆的移动必须非常快，因此使用轮询的方式检测设备是否需要CPU的关注还是比较理想的。使用轮询方式的缺点是CPU就处于了忙等状态，因为CPU会不停的多次检查设备。但是需要注意的是在linux中，这种处理信号的方式也是必不可少的。

硬中断
对于上文所讨论的场景都是属于硬中断的例子。硬中断主要分为两种类别：
1. 非屏蔽中断(Non-maskable interrupts,即NMI）：就像这种中断类型的字面意思一样，这种中断是不可能被CPU忽略或取消的。NMI是在单独的中断线路上进行发送的，它通常被用于关键性硬件发生的错误，如内存错误，风扇故障，温度传感器故障等。
2. 可屏蔽中断（Maskable interrupts）：这些中断是可以被CPU忽略或延迟处理的。当缓存控制器的外部针脚被触发的时候就会产生这种类型的中断，而中断屏蔽寄存器就会将这样的中断屏蔽掉。我们可以将一个比特位设置为0，来禁用在此针脚触发的中断。

软中断
这些中断是在CPU执行指令（也就是说在进程正在运行的时候）的时候产生的，因为在执行指令时，CPU（确切的说应是在CPU中的运算器）自身会产生一个异常（此处的异常也可理解为软中断）。

例如，一个数字除以0（当然这是不可能的），此时就会导致一个divide-by-zero的异常，从而导致计算机将此计算取消或者显示一个错误的信息。

在文件/proc/stat中，包含了一些关于系统内核的统计信息，也包含了一些中断信息。
# cat /proc/stat
cpu 17028082 5536753 5081493 1735530500 42592308 90006 479750 0
cpu0 5769176 1170683 1495750 403368354 39406374 90006 284864 0
cpu1 3714389 1451937 1186134 444082258 1084780 0 64876 0
cpu2 3791544 1471013 1211868 443988514 1056981 0 64764 0
cpu3 3752971 1443119 1187740 444091373 1044172 0 65244 0
intr 417756956 --- Output Truncated

在intr这一行，显示了自从系统启动以来所产生的中断数。第一列表示所有被服务的中断数。后续的每一列都表示一个特定中断的总数。

SMP_AFFINITY
SMP是指对称多处理器。smp_affinity文件主要用于某个特定IRQ要绑定到哪个CPU核心上。在/proc/irq/IRQ_NUMBER/目录下都有一个smp_affinity文件，这个文件中，所表示的CPU核心以十六进制来表示的。例如，网卡的中断号是：

grep eth0 /proc/interrupts
67: 23834931 0 0 0 IO-APIC-level eth0

cat /proc/irq/67/smp_affinity
00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000001

上面的十六进制对应的十进制是1，也就是说所有的和网卡驱动相关的中断都是有CPU0来提供服务的。

我们可以通过手动改变smp_affinity文件中的值来将IRQ绑定到指定的CPU核心上，或者启用irqbalance服务来自动绑定IRQ到CPU核心上。

IRQ Balance
Irqbalance是一个linux的实用程序，它主要是用于分发中断请求到CPU核心上，有助于性能的提升。它的目的是寻求省电和性能优化之间的平衡。你可以使用yum进行安装：
# rpm -qa | grep irqbalance
irqbalance-0.55-15.el5
# yum search irqbalance
# yum install irqbalance.x86_64

启动irqbalance服务后，中断在CPU上的分布如下：
# cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1 CPU2 CPU3
0: 950901695 0 0 0 IO-APIC-edge timer
1: 13 0 0 0 IO-APIC-edge i8042
6: 96 10989 470 0 IO-APIC-edge floppy
7: 0 0 0 0 IO-APIC-edge parport0
8: 1 0 0 0 IO-APIC-edge rtc
9: 0 0 0 0 IO-APIC-level acpi
12: 109 1787 0 0 IO-APIC-edge i8042
15: 99 84813914 0 0 IO-APIC-edge ide1
51: 17371 0 46689970 0 IO-APIC-level ioc0
67: 1741 0 0 225409160 PCI-MSI eth0
83: 0 0 0 0 PCI-MSI vmci
NMI: 0 0 0 0
LOC: 950902917 950903742 950901202 950901400
ERR: 0
MIS: 0