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中斷是處理器執(zhí)行指令時(shí)，由硬件發(fā)出的請(qǐng)求，用于響應(yīng)外部事件。在操作系統(tǒng)中，中斷常常被用來(lái)響應(yīng)I/O設(shè)備的請(qǐng)求。然而，由于中斷處理涉及到對(duì)系統(tǒng)硬件的訪問(wèn)，因此需要協(xié)調(diào)好中斷請(qǐng)求與操作系統(tǒng)的處理過(guò)程，以保證系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性。在Linux內(nèi)核中，中斷往往由CPU的硬件設(shè)備直接送到內(nèi)存中的叫做中斷向量的中斷跳轉(zhuǎn)表內(nèi)，而中斷復(fù)制則是通過(guò)在內(nèi)核代碼中復(fù)制中斷向量開啟多核處理器以提高系統(tǒng)的性能。
本文將重點(diǎn)介紹，包括中斷源與中斷解析器的處理過(guò)程、中斷工作線程的分配和調(diào)度、以及基于VIRQ的虛擬中斷處理技術(shù)等。
中斷源與中斷解析器的處理過(guò)程
Linux內(nèi)核中處理中斷的過(guò)程從硬件中獲取中斷信息開始，一直到處理完畢回歸用戶空間為止。當(dāng)硬件設(shè)備發(fā)生I/O操作時(shí)，會(huì)向處理器產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)，處理器會(huì)將當(dāng)前執(zhí)行的指令暫停，轉(zhuǎn)而保存當(dāng)前處理器的狀態(tài)，并跳轉(zhuǎn)到中斷向量表中存放的中斷處理程序去處理中斷請(qǐng)求。
中斷向量表（中斷跳轉(zhuǎn)表）是由內(nèi)核在系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程中建立的一個(gè)數(shù)組，存儲(chǔ)著中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的中斷處理程序的入口地址。當(dāng)CPU收到中斷請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)硬件尋址方式自動(dòng)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)，進(jìn)行中斷處理。在處理完中斷請(qǐng)求后，CPU會(huì)自動(dòng)返回到原來(lái)的代碼位置，繼續(xù)執(zhí)行正在處理的任務(wù)。
中斷源、中斷控制器和中斷解析器是協(xié)同完成中斷處理的硬件和軟件部件，其關(guān)系如下圖所示。
其中，中斷源對(duì)應(yīng)著一個(gè)硬件設(shè)備，它會(huì)向中斷控制器發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)中斷控制器收到請(qǐng)求信號(hào)后，會(huì)將信號(hào)發(fā)給中斷解析器，中斷解析器引導(dǎo)CPU轉(zhuǎn)向中斷處理程序的入口函數(shù)，開始處理中斷請(qǐng)求。在多核CPU架構(gòu)中，多個(gè)CPU之間還需要進(jìn)行中斷協(xié)調(diào)，以避免出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)沖突或不一致的情況。
中斷工作線程的分配和調(diào)度
在Linux內(nèi)核中，中斷處理工作是由內(nèi)核線程來(lái)完成的，這些線程被稱為中斷工作線程。每當(dāng)硬件設(shè)備產(chǎn)生中斷請(qǐng)求時(shí)，內(nèi)核就會(huì)為該中斷創(chuàng)建一個(gè)中斷工作對(duì)象（IRQ Descriptor），并提交給相應(yīng)的中斷控制器進(jìn)行處理。
每個(gè)中斷工作對(duì)象結(jié)構(gòu)中包含著一個(gè)隊(duì)列（wt _queue_head）和一個(gè)指向中斷源的指針，用于等待中斷信號(hào)。當(dāng)中斷請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，中斷工作線程會(huì)被喚醒，將中斷請(qǐng)求處理委托給內(nèi)核中的中斷處理程序isr()。這個(gè)函數(shù)會(huì)負(fù)責(zé)處理中斷請(qǐng)求，并將控制權(quán)返回到中斷工作線程中。
中斷工作線程的分配和調(diào)度主要依賴于內(nèi)核中的工作隊(duì)列（Work Queue），由工作隊(duì)列負(fù)責(zé)管理中斷工作線程的創(chuàng)建、調(diào)度和銷毀等。在Linux內(nèi)核中，每個(gè)處理器都分配了一個(gè)CPU運(yùn)行隊(duì)列（CPU Run Queue），并且每個(gè)CPU運(yùn)行隊(duì)列中都包含著一個(gè)關(guān)聯(lián)著該CPU的工作隊(duì)列（Per-CPU work queue）。每當(dāng)內(nèi)核中有一個(gè)中斷的工作需要處理時(shí)，工作隊(duì)列就會(huì)將該工作添加到排隊(duì)隊(duì)列中，并負(fù)責(zé)將其分配給相應(yīng)的中斷工作線程。
基于VIRQ的虛擬中斷處理技術(shù)
在多核處理器架構(gòu)下，中斷處理往往會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的中斷競(jìng)爭(zhēng)和調(diào)度問(wèn)題，限制著系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式往往也很難實(shí)現(xiàn)縱向擴(kuò)展，因此需要一種新的中斷處理技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題?；赩IRQ的虛擬中斷處理技術(shù)就是一個(gè)很好的例子。
基于VIRQ的虛擬中斷處理技術(shù)，可以將中斷處理從硬件設(shè)備中抽象出來(lái)，形成一個(gè)獨(dú)立的虛擬中斷處理機(jī)制。它采用了一種基于事件通知的中斷處理方式，在內(nèi)核中建立了一個(gè)虛擬中斷向量映射表（VIRQ map table），將中斷向量與VIRQ號(hào)相對(duì)應(yīng)，并為每個(gè)VIRQ分配一個(gè)獨(dú)立的中斷工作對(duì)象。
當(dāng)硬件設(shè)備向Linux內(nèi)核發(fā)送中斷請(qǐng)求時(shí)，會(huì)向相應(yīng)的中斷控制器發(fā)送信號(hào)。中斷控制器收到信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生VIRQ號(hào)并將其存儲(chǔ)到中斷控制器的VIRQ隊(duì)列中。在VIRQ隊(duì)列中，每個(gè)VIRQ號(hào)對(duì)應(yīng)著一個(gè)中斷工作對(duì)象，并由相應(yīng)的中斷工作線程處理。
基于VIRQ的虛擬中斷處理技術(shù)可以極大地提高系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性，使得多核處理器的處理能力得到更充分的利用。同時(shí)，它還可以簡(jiǎn)化中斷管理和調(diào)度的過(guò)程，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
本文介紹了的過(guò)程，包括中斷源與中斷解析器的處理過(guò)程、中斷工作線程的分配和調(diào)度、以及基于VIRQ的虛擬中斷處理技術(shù)等。中斷作為操作系統(tǒng)中很重要的一環(huán)，涉及到對(duì)系統(tǒng)硬件的訪問(wèn)和協(xié)調(diào)，因此需要精細(xì)的設(shè)計(jì)和處理。而本文所介紹的中斷處理技術(shù)則可以有效地解決多核處理器架構(gòu)下的中斷競(jìng)爭(zhēng)和調(diào)度問(wèn)題，提高系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性。
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linux進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行，是在中斷中執(zhí)行的嗎
幾乎所有的程序都要切換到內(nèi)核態(tài)運(yùn)行再返回用戶態(tài)，用中斷完搏悉帆成的，因?yàn)樵趦?nèi)核下封裝了一些東西，陸團(tuán)用戶態(tài)下只是傳入某些參數(shù)后調(diào)用內(nèi)核態(tài)下的函數(shù)罷基雹了， 2、進(jìn)程有三態(tài)（執(zhí)行態(tài)，就緒態(tài)，阻塞態(tài)），cpu任何時(shí)刻都只有一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行，
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