linux内核解析--中断及异常处理

Linux是一种开源电脑操作系统内核。它是一个用C语言写成，符合POSIX标准的类Unix操作系统。本文小编带你了解一下linux内核的中断及异常处理的基本内容。

一、系统调用 

Linux的每个系统调用都是通过一些宏、一张系统调用表、一个系统调用入口来完成。 

(1)宏 

Linux为每个系统调用定义了一个唯一的编号，成为系统调用号。通过宏定义方式定义，例如#define  __NR_setup 0。 

Linux中系统调用号一旦分配就不可以再进行更改，否则已经编译好的木块将不能正常使用。即使删除的系统调用，也不可以把之前已经分配的系统调用号重新分配，删除的系统调用有相应的空处理。 

(2)系统调用表 

系统调用表是一个函数指针数组，跳转时以系统调用号作为数组下表，找到相应的函数指针。 

(3)系统调用入口 

系统调用入口其实是由系统调用入口函数实现。功能是将系统调用号放入eax寄存器后移用int $0x80使处理器转向系统调用入口，查找系统调用表，进而执行内核调用真正的函数。 

Linux系统调用实际是软中断。系统调用过程中，Linux首先通过执行相应的机器代码指令int $0x80产生一个软中断的异常处理信号，使系统自动从用户态切换到内核态。 

二、中断机制 

Linux中断主要分为硬中断(IRQ)和软中断两类。 

IRQ主要分为：短类型IRQ和长类型IRQ。短类型IRQ需要很短的时间，在此期间机器的其他部分被锁定，而且不能发生其他中断被处理。长类型IRQ需要较长的时间，期间可能发生其他中断。  当用户程序被来自外部信号中断后，立即保存现场工作，包括保存返回地址和用户寄存器等数据，然后查找中断向量表，找出相应的中断处理程序。系统将中断分为三种：捕俘、系统调用和外中断。捕俘：通过捕俘处理程序入口表查找到用户编写的处理程序执行。系统调用：软中断，通过系统调用表找到操作系统核心提供的服务例程。外中断：直接调用核心提供的外中断处理程序运行。 

1、硬中断过程 

Linux中，若一个硬件想向CPU发送中断信号，必须首先获得一个可用的“中断请求线”(即中断前必须获得一个可用的IRQ号)，产生一个中断信号后以电信号发送给中断控制器

(硬件芯片)，接着CPU根据中断控制器的状态位判定中断的来源，获得中断号，根据中断号查找中断向量表，从表中获得中断处理函数的地址，然后跳转到中断函数入口地址处，执行这个函数。

2、中断处理程序—硬中断 

中断处理程序主要做的工作： 

a. 保护未被硬件保护的一些必须的寄存器 b. 识别各个中断源，分析产生中断的原因 c. 处理发生的中断事件 d. 恢复正常的工作 

Linux规定中断处理程序是不可重入的，指的是同一中断线上不可以再发生新的中断，因为所有的处理器都将原中断所在的中断线已经屏蔽。 

Linux中同样规定了同一中断程序不能够并行，这样同一个中断处理程序不可以被同时调用来处理嵌套的中断。 Linux中将中断处理程序分为两部分：上半部和下半部。  

上半部主要用来处理那些具有严格时限要求的任务。上半部可以看做是一个用来“登记中断”功能的函数，将中断例程的下半部挂到下半部执行队列中。上半部要求执行很快，主要是因为上半部完全屏蔽中断下执行，即不可中断。 

下半部主要用于处理那些可以稍后执行的任务。下半部是可中断的，当发生其他中断时，下半部可中断等待另外一个中断的上半部执行完毕后再继续执行。 

3、下半部机制 

Linux中提供了三种机制来实现下半部机制。 

(1)软中断 

软中断是一组静态定义的下半部结构，使用数组来组织软中断结构体，共有32个。两个相同的软中断可以同时执行，必须在编译期间进行静态注册。 

软中断机制一般都保留给系统中对时间要求最严格以及重要的下半部来使用。Linux2.6中只有两个子系统是通过软中断来实现的：网络子系统和SCSI。 

(2)tasklet  

tasklet要比软中断机制方便且简单，而且它本身也是基于软中断实现，属于软中断，既可以静态的创建tasklet，也可以动态的创建tasklet。  

Linux中tasklet分为两类：HI_SOFTIRQ和TASKLET_IRQ，前者比后者的优先级要高，优先调用前者。在中断数组irq_desc[]中会分配两项给tasklet，即两种类型各占数组中一项。两者分别以一个链表来组织。 

(3)工作队列(work queue)  

工作队列与前两者最大的不同之处是它是唯一一个能在进程上下文中运行的下半部机制，意味着它能允许睡眠。 

工作队列的实质是将推后的工作交给一个内核线程来完成，核心思想即时创建一个内核线程，Linux中已经默认提供了一种命名为enents一类工作者线程来实现工作队列。 

4、中断的数据结构 

Linux内核中定义了一个数组irq_desc[]数组来管理中断。数组中的每一项对应一个中断源。数组中的每个成员都为irq_desc_t结构体，即数组中的每一项对应着中断向量表中的一项。 

(1)irq_desc_t结构体 

irq_desc_t结构体用来描述中断源。其中结构体中的handler指向hw_interrupt_type结构体的指针，action变量指向由irqaction结构体组成的单向链表的头的指针。 

(2)irqaction结构体 

该结构体中指明内核接收到特定IRQ后该才去的动作。结构体中变量handler指向中断处理程序。 

(3)hw_interrupt_type结构体 

用来描述中断控制器，是一个抽象的中断控制器。

5、中断上下文 

当一个中断处理程序正在执行时，内核处于中断上下文中。中断上下文是不可以睡眠的。与进程上下文是不同的，进程上下文即使睡眠了也可以重新调度将其唤醒，中断上下文不可以被重新调度。 

中断处理程序没有自己的堆栈，它会共享被它中断的那个进程的堆栈，如果没有进程正在执行，则占用idle进程的堆栈(每个处理器都有自己的运行队列，队列中都有idle进程，当前运行队列都dequeue时则运行idle进程)。