unix內核源碼剖析【5. 中斷與陷入】

1、參考

Unix內核源碼剖析

2、名詞解釋

psw: 狀態寄存器
pc: r7, 通用寄存器r7, 程序計數器，從r7寄存器指示的內存地址中讀取指令，解釋而且執行該指令，處理完成後r7將指向容納下一條指令的內存地址

3、正文

3.1 引言

周邊設備發出的請求以及CPU內部特定的事件，以中斷或者陷入的形式加以處理。
執行中的進程將暫停運行，轉而處理髮生的中斷或者陷入，等待處理完成後，再繼續運行被暫停的進程。
系統調用經過陷入機制實現。

3.2 中斷和陷入定義

3.2.1 中斷

當週邊設備發出請求時候，暫停執行中的進程，轉而執行與請求相對應的處理。等待處理完成後再恢復被暫停的進程。對中斷請求進行處理的函數稱爲中斷處理函數

中斷請求類型：
（1）塊設備處理完成通知
（2）終端輸入
（3）時鐘中斷

若是沒有中斷的機制，提出請求的進程必須按期檢查是否發出了處理結束的通知，這種方式稱爲輪詢。與處理器相比，周邊設備的處理速度比較慢，輪詢花費的時間變長。

中斷是一種對進程運行和異步事件進行高效處理的機制。

中斷處理函數由內核進程負責執行，在運行用戶進程時候發生中斷的場景，經過硬件切換到內核進程。

被中斷的進程的數據暫存於內核棧之中。當中斷處理函數結束後，將恢復內核棧中的數據，繼續處理被中斷的進程。

3.2.2 陷入

陷入和中斷相同點：都會引發執行進程的暫停和恢復處理
不一樣點：陷入是由CPU內部事件引發的

當程序執行發生了異常時候，設置PSW的陷入位，表示陷入被觸發。
異常狀況：
（1）被0除
（2）訪問了未被分配的區域
（3）總線超時

由於存在陷入機制，因此用戶程序沒必要每次都確認異常狀況，或者逐一處理。當異常出現時候，會觸發陷入，自動執行共用的處理。當某種陷入發生時候，若是但願在對其進行適當的處理後繼續原有的操做，能夠定義獨自的陷入處理函數來實現。

由內核進程觸發的陷入，一般由獨自定義的陷入處理函數處理，內核程序在執行可能會觸發陷入的指令以前，將變量nofault設定爲與此陷入相對應的處理函數的地址，當陷入發生時候，nofault指向的處理函數將自動運行。

用戶程序觸發的陷入最終做爲信號被處理。經過對信號設定處理函數，在異常發生時候能夠進行獨自處理。

系統調用：用戶執行彙編器的sys指令後觸發表示系統調用的陷入，系統調用存在多種類型，經過sys指令的第一個參數指定，有的系統調用還帶有本身的參數，參數的指定方法由於系統調用種類的不一樣而不一樣。sys指令爲彙編器的模擬指令，實際觸發陷入機制的指令爲trap, 指令的低位比特含有表示陷入種類的值，彙編器將sys指令和第一個參數，編碼爲trap指令。

從用戶進程切換到內核進程而且進行相應處理的過程，都是利用陷入實現的。

3.3 優先級和向量

中斷含有0到7的中斷優先級，當PSW中的處理器優先級大於或者等於中斷優先級時候，中斷不會被處理。
周邊設備將持續發出中斷請求，直處處理器優先級降低，該中斷獲得處理。
（注：中斷優先級數值越大，表示處理器將越有可能執行該中斷事件）

處理器優先級能夠經過spln()函數進行變動spl0~spl7

執行中斷處理函數時候，處理器優先級被設置爲中斷優先級的值，在處理過程當中也能夠提升處理器優先級。
可是，用小於中斷優先級執行中斷處理函數會致使一些問題。
在運行中斷處理函數時候，若是再次收到相同類型的中斷請求，中斷與由中斷處理引發的反作用在發生的順序上，會出現逆轉。以下：

陷入的優先級至關於中斷優先級的8， 不管當前處理器的優先級的值是多少，當發生陷入時候，都會立刻獲得處理。

中斷和陷入向量是一些預設的PSW的值和pc值的存放地址。內核進程在開始處理中斷和陷入時候會使用這些預設值設置PSW和pc寄存器。

3.4 中斷和陷入處理流程

中斷和陷入由發生處處理結束基本遵循相同的處理流程：
（1）中斷或者陷入發生；
（2）將當前的PSW和pc保存於內核棧；
（3）從向量指定的地址讀取PSW和pc；
（4）執行call或者trap;
（5）執行中斷處理函數或者陷入處理函數；
（6）從內核棧中恢復PSW和pc

3.4.1 發生中斷或者陷入