1. 中斷的由來

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1956年，ERA 1103A計算機系統(tǒng)引入了中斷（interrupt）機制。

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ERA 1103A用于接收、處理風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)處理結(jié)果返回給風(fēng)洞，如此循環(huán)往復(fù)。但風(fēng)洞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時間比較長，ERA 1103A只能處于等待狀態(tài)，這段時間被白白的浪費掉了。為了提高ERA 1103A的利用率，其引出了一條中斷線，在等待風(fēng)洞數(shù)據(jù)的這段時間運行其他程序，當(dāng)風(fēng)洞數(shù)據(jù)到來的時通過中斷線告知ERA 1103A停止當(dāng)前工作去接收風(fēng)洞數(shù)據(jù)。

以上就是最初的中斷設(shè)計原型。

ERA 1103A計算機系統(tǒng)

2. 中斷分類

現(xiàn)代處理器的中斷概念變得越來越廣泛，已經(jīng)不僅僅局限于外部設(shè)備中斷。中斷存在的意義是CPU控制外部設(shè)備的同時，外部設(shè)備也可以高效的“控制CPU”。發(fā)展至今，這種設(shè)計思想擴展到了外部硬件控制CPU、軟件控制CPU、CPU運行管理等三個方面。因此，使用events事件來表示則更加的貼切實際，但在平時描述中，基本上仍然采用了中斷這個詞。

events的分類如下圖所示，主要包括中斷和異常，外部硬件控制CPU對應(yīng)hardware interupt，軟件控制CPU對應(yīng)software interrupt，CPU運行管理則對應(yīng)exception。

2.1 hardware interrupt

硬件中斷是我們平時接觸的最多的一類event，比如鼠標(biāo)、鍵盤、網(wǎng)卡等等都可以產(chǎn)生硬件中斷。因為CPU并不知道外部硬件設(shè)備何時產(chǎn)生硬件中斷請求，也不會提前獲知產(chǎn)生硬件中斷的前提，因此，硬件中斷屬于異步event。

CPU和外部IO設(shè)備通過一根或多根硬件連線進行硬件中斷信號的傳遞。這種硬件連線可以在SoC內(nèi)部實現(xiàn)，也可以在外部PCB板上實現(xiàn)。

當(dāng)CPU內(nèi)部集成了中斷控制器IP之后，各個IO設(shè)備的中斷信號線可以在SoC內(nèi)部連接到中斷控制器。例如非常常見的ARM GIC，當(dāng)然，它不僅可以處理外部IO設(shè)備的硬件中斷，也可以處理CPU內(nèi)部之間硬件中斷。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

內(nèi)部GIC

外部IO設(shè)備可以通過中斷控制芯片連接到CPU，該類芯片通常稱之為PIC。

此類中斷控制芯片中最具有代表性的應(yīng)該是Intel 8259,在微機原理課程中就能找到它的影子。

Intel 8259 PIC

它是為Intel 8085和Intel 8086微處理器設(shè)計的可編程中斷控制器(PIC)。8259將多個中斷輸入源組合成一個到主微處理器的單一中斷輸出，將系統(tǒng)中可用的中斷級別擴展到處理器芯片上的一個或兩個級別之外。在如今高性能GIC中，仍然可見這種分層次、可擴展的中斷架構(gòu)設(shè)計理念。

2.2 software interrupt

假設(shè)操作系統(tǒng)阻止非特權(quán)代碼直接訪問系統(tǒng)資源，那么應(yīng)用程序如何訪問這些受保護的資源呢？此時，軟件中斷就可以實現(xiàn)這一目的。當(dāng)一個應(yīng)用軟件終止或者它向操作系統(tǒng)請求一些服務(wù)時，軟件中斷就會發(fā)生。如果說在軟件代碼中包含了系統(tǒng)調(diào)用，那么可以將software interrupt理解為同步事件。

當(dāng)CPU接收到一個軟件中斷信號時，它可能會暫時將控制切換到一個中斷處理程序程序，并且內(nèi)核中被中斷掛起的進程(例如，一個程序的運行實例)將在中斷被接受后恢復(fù)。

應(yīng)用程序基于系統(tǒng)調(diào)用完成應(yīng)用層和操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的通信，實現(xiàn)對CPU的控制。

2.3 異常

CPU異常發(fā)生在各種錯誤的情況下，例如當(dāng)訪問無效的內(nèi)存地址或除零時，為了對它們作出反應(yīng)，產(chǎn)生了異常處理機制。不同架構(gòu)的處理器對異常類型的定義有所不同，但核心思想是CPU工作過程遇到了不被允許的錯誤或者強制停止指令等，我們可以將異常做如下分類。

對于Faults異常，通常不影響軟件代碼的繼續(xù)運行，此類異常主要包括：

• 除0操作
• 無效操作碼
• 設(shè)備不可用

對于Traps異常，比較常見的就是JTAG debug。當(dāng)CPU收到了debug指令后，會進入到異常模式。此類異常主要包括：

• 斷點
• 溢出
• 調(diào)試指令

對于Abort異常，比較常見的就是取指異常，當(dāng)我們從RAM中沒有正確的獲取到待執(zhí)行指令時，CPU進入到Abort異常。此類異常主要包括：

• 訪存錯誤
• 總線錯誤
• cache錯誤