I/O中斷原理

目錄

• I/O中斷原理
  • 前言
  • 什麼是中斷
  • 中斷類型
    • 硬件中斷
    • 軟件中斷
  • I/O中斷流程
    • 無中斷
    • 有中斷
  • 中斷處理
  • 相關文獻

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I/O中斷原理

前言

在Windows內核原理-同步IO與異步IO和《高性能網絡通信原理》兩篇文章中，都出現了中斷這兩個字。本篇文章會對中斷操做的原理進行說明。

什麼是中斷

中斷指當出現須要時，CPU暫時中止當前程序的執行轉而執行處理新狀況的程序和執行過程。即在程序運行過程當中，系統出現了一個必須由CPU當即處理的狀況，此時，CPU暫時停止程序的執行轉而處理這個新的狀況的過程就叫作中斷。

咱們知道CPU是按指令順序進行執行的，操做系統每過大約15ms會發生一次線程調度(Windows下)，根據線程優先級先調度優先級高的線程。可是實際狀況並無那麼簡單，若咱們接收到一個網絡請求，若是要等當前線程執行完或15ms線程調度以後纔去處理網絡請求，網卡緩衝區頗有可能會被佔滿，此時就發生了丟包。

中斷類型

中斷分爲硬件中斷和軟件中斷。

硬件中斷

硬件中斷即爲硬件發出的中斷信號，如I/O中斷和硬件失效中斷。

• I/O中斷：由I/O控制器產生，用於發送信號通知操做完成等信號。
• 硬件失效中斷：如掉電或存儲器奇偶錯之類的故障。

軟件中斷

軟件中斷即爲非硬件發出的中斷信號，如程序中斷和時鐘中斷。

• 程序中斷：一些指令產生的異常(如算數移除、除數爲0等)。

• 時鐘中斷：由處理器內部的計時器產生，容許操做系統以必定規程執行函數。

  咱們提到了操做系統每過大約15ms會進行一次線程調度，就是利用時鐘中斷來實現的。

I/O中斷流程

本篇文章仍是主要解釋前幾篇文章提到的I/O中斷進行解釋說明，所以僅以I/O中斷舉例，可是中斷的原理和流程都是類似的。

I/O中斷經過中斷處理器執行中斷操做。當外部設備的I/O模塊準備好時，它會發送給CPU一箇中斷信號，CPU則會「當即」作出響應，暫停當前程序的處理去服務該I/O設備的程序。

也可能不是當即，好比同時存在多箇中斷，則根據實際的中斷算法決定，是按中斷前後順序執行中斷操做，仍是按中斷優先級執行。
I/O中斷時硬件中斷，須要硬件支持來接收中斷信號。

無中斷

爲了更好的說明中斷帶來的性能提高，咱們先描述一下沒有中斷時程序如何處理I/O操做。

• 當咱們程序須要從硬盤讀取一個文件時，會先檢查內核緩存中是否有數據，若沒有數據，則執行實際I/O操做。在I/O操做執行時，咱們的用戶線程將阻塞等待數據從硬盤寫到內存中。對於用戶來講線程是被阻塞的。
• 在實際的I/O操做過程當中，若沒有中斷操做，CPU會不斷輪詢檢查I/O操做是否完成，若I/O操做沒有完成則繼續調度其餘線程，過一下子再來檢查。若操做完成，CPU將線程加入到線程就緒隊列中並恢復線程上下文信息。
• 線程處於就緒隊列，能夠被操做系統調度從而繼續執行讀操做，此時會將數據從操做系統內核緩存讀取到用戶緩存中。

有中斷

• 當咱們程序須要從硬盤讀取一個文件時，會先檢查內核緩存中是否有數據，若沒有數據，則執行實際I/O操做。在I/O操做執行時，咱們的用戶線程將阻塞等待數據從硬盤寫到內存中。對於用戶來講線程是被阻塞的。
• 在實際的I/O操做過程當中，CPU向I/O模塊(DMA控制器)發送讀指令，而後就去調度其餘線程。
• 當I/O模塊(DMA控制器)I/O執行完成後，會產生中斷信號在通知CPU，CPU將線程加入到線程就緒隊列中並恢復線程上下文信息。
• 線程處於就緒隊列，能夠被操做系統調度從而繼續執行讀操做，此時會將數據從操做系統內核緩存讀取到用戶緩存中。

由此可知，有中斷仍是沒有中斷對於用戶來講線程都是阻塞的，對於操做系統內核來講經過中斷方式主動通知CPU的方式減小了線程輪詢判斷，提升了線程執行效率。
固然，爲了進一步提升線程利用率，此時咱們能夠經過異步操做API執行I/O操做。
好比.Net4.5的async和await關鍵字，當調用異步操做後，API內部保存了相關狀態機信息(回調信息)，線程繼續執行其餘操做，當操做系統內核讀取數據完成時，線程調用回調方法恢復到await的後續操做。整個過程當中線程不會由於阻塞帶來致使性能損失。

中斷處理

當I/O設備完成一次I/O操做時，發生如下事件：

• 開始I/O操做前，處理器將當前處理的相關信息如指令地址、必要的狀態信息等保存到棧中，使得中斷後能夠恢復執行。
• I/O操做完成後，設備給處理器發送一箇中斷信號。
• 處理器響應中斷信號。
• 處理器對中斷信號進行判斷，若存在未響應的中斷，則給產生中斷信號的設備發送確認信號，確認信號使得設備取消它的中斷信號。
• 處理器將控制前轉移給中斷程序中，中斷程序從棧中獲取以前保存的信息，使得能繼續執行I/O完成時的後續操做。
• 處理器將中斷程序入口地址載入到程序計數器中，使得處理器能繼續執行下一個指令週期。

相關文獻

1. 《操做系統-精髓與設計原理》
2. 時鐘中斷是rt-thread的線程調度器的驅動力

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出處：http://www.javashuo.com/article/p-mtesadfz-bx.html 做者：傑哥很忙 本文使用「CC BY 4.0」創做共享協議。歡迎轉載，請在明顯位置給出出處及連接。