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聊一聊CPU中断技术

2018-11-29 09:35:07  来源:今日头条

摘要:一切是那么的顺其自然。但理论上来说,播放电影的时候,CPU正在一丝不苟的执行着一条又一条的指令,它是如何在维持电影播放的情况下,及时接收并响应你的键盘输入信息呢?
关键词: CPU
  一、什么是CPU中断?
 
  使用计算机的过程中,经常会遇到这么一种情景:
 
  1. 你正在看电影
  2. 你的朋友发来一条QQ信息
  3. 你一边回复朋友的信息,一边继续看电影
 
  这个过程中,一切是那么的顺其自然。但理论上来说,播放电影的时候,CPU正在一丝不苟的执行着一条又一条的指令,它是如何在维持电影播放的情况下,及时接收并响应你的键盘输入信息呢?
 
\
 
  这就是CPU中断技术在起作用。
 
  CPU中断技术的定义如下:
 
  计算机处于执行期间
  系统内发生了非寻常或非预期的急需处理事件
  CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序
  处理完毕后返回原来被中断处继续执行
 
  在这里,“非寻常或非预期的事件”指的就是你回复朋友的QQ时,用键盘键入信息。为了及时响应你键入的信息,CPU将正在执行的任务“播放电影”暂时中断,处理完你键入的信息后,继续执行“播放电影”的任务。由于这个“中断当前任务->响应键盘输入->继续当前任务”的执行周期非常短(一般都是微秒级),所以一般人感觉不出来。
 
  举个现实中的例子:
 
  你正在看书,突然你的朋友打来电话,于是你放下书本去接电话,电话打完接着看书。
 
  电话响->放下书本->接电话->继续看书这一个过程,就类似于CPU中断的处理过程。
 
  二、CPU中断的作用
 
  早期的CPU处理外设的事件(比如接收键盘输入),往往采用“轮询”的方式。即CPU像个查岗的一样轮番对外设顺序访问,比如它先看看键盘有没被按下,有的话就处理,没的话继续往下看鼠标有没有移动,再看看打印机……这种方式使CPU的执行效率很低,且CPU与外设不能同时工作(因为要等待CPU来“巡查”)。
 
  中断模式时就是说CPU不主动访问这些设备,只管处理自己的任务。如果有设备要与CPU联系,或要CPU处理一些事情,它会给CPU发一个中断请求信号。这时CPU就会放下正在进行的工作而去处理这个外设的请求。处理完中断后,CPU返回去继续执行中断以前的工作。
 
  中断模式的作用和优点在于:
 
  1. 可以使CPU和外设同时工作,使系统可以及时地响应外部事件。
 
  2. 可允许多个外设同时工作,大大提高了CPU的利用率,也提高了数据输入、输出的速度。
 
  3. 可以使CPU及时处理各种软硬件故障(比如计算机在运行过程中,出现了难以预料的情况或一些故障,如电源掉电、存储出错、运算溢出等等。计算机可以利用中断系统自行处理,而不必停机或报告工作人员。)
 
  三、CPU中断的类型
 
  在计算机系统中,根据中断源的不同,通常将中断分为两大类:
 
  1. 硬件中断
  2. 软件中断
 
  硬件中断
 
  硬件中断又称外部中断,主要分为两种:可屏蔽中断、非屏蔽中断。
 
  可屏蔽中断:
 
  1. 常由计算机的外设或一些接口功能产生,如键盘、打印机、串行口等
  2. 这种类型的中断可以在CPU要处理其它紧急操作时,被软件屏蔽或忽略
 
  非屏蔽中断:
 
  1. 由意外事件导致,如电源断电、内存校验错误等
  2. 对于这种类型的中断事件,无法通过软件进行屏蔽,CPU必须无条件响应
 
  在x86架构的处理器中,CPU的中断控制器由两根引脚(INTR和NMI)接收外部中断请求信号。其中:
 
  1. INTR接收可屏蔽中断请求
  2. NMI接收非屏蔽中断请求
 
  典型事例:
 
  1. 典型的可屏蔽中断的例子是打印机中断,CPU对打印机中断请求的响应可以快一些,也可以慢一些,因为让打印机稍等待一会也是完全合理的。
 
  2. 典型的非屏蔽中断的例子是电源断电,一旦出现此中断请求,必须立即无条件地响应,否则进行其他任何工作都是没有意义的。
 
  软件中断
 
  软件中断又称内部中断,是指在程序中调用INTR中断指令引起的中断。比如winAPI中,keybd_event和mouse_event两个函数,就是用来模拟键盘和鼠标的输入(这个仅为笔者本人的猜测)。
 
  四、CPU中断的过程
 
  中断请求
 
  中断请求是由中断源向CPU发出中断请求信号。外部设备发出中断请求信号要具备以下两个条件:
 
  1. 外部设备的工作已经告一段落。例如输入设备只有在启动后,将要输入的数据送到接口电路的数据寄存器(即准备好要输入的数据)之后,才可以向CPU发出中断请求。
 
  2. 系统允许该外设发出中断请求。如果系统不允许该外设发出中断请求,可以将这个外设的请求屏蔽。当这个外设中断请求被屏蔽,虽然这个外设准备工作已经完成,也不能发出中断请求。
 
  中断响应、处理和返回
 
  当满足了中断的条件后,CPU就会响应中断,转入中断程序处理。具体的工作过程如下:
 
  1. 关闭中断信号接收器
  2. 保存现场(context)
  3. 给出中断入口,转入相应的中断服务程序
  4. 处理完成,返回并恢复现场(context)
  5. 开启中断信号接收器
 
  中断排队和中断判优
 
  1. 中断申请是随机的,有时会出现多个中断源同时提出中断申请。
  2. CPU每次只能响应一个中断源的请求。
  3. CPU不可能对所有中断请求一视同仁,它会根据各中断源工作性质的轻重缓急,预先安排一个优先级顺序。当多个中断源同时申请中断时,即按此优先级顺序进行排队,等候CPU处理。
 
  了解了CPU中断处理的过程,就不难理解下面一种常见的情景:
 
  正在拷贝文件时,往某个文本框输入信息,这个文本框会出现短暂的假死,键盘输入的数据不能及时显示在文本框中,需要等一会儿才能逐渐显示出来。
 
  这是因为该中断操作(往文本框输入信息)在中断队列的优先级比较低,或者CPU认为正在处理的操作(拷贝文件)进行挂起的代价太大,所以只有等到CPU到了一个挂起代价较低的点,才会挂起当前操作,处理本次中断信息。
 
  五、多核CPU对中断的处理
 
  多核CPU的中断处理和单核有很大不同。多核的各处理器核心之间需要通过中断方式进行通信,所以CPU芯片内部既有各处理器核心的本地中断控制器,又有负责仲裁各核之间中断分配的全局中断控制器。
 
  现今的多核处理器在中断处理和中断控制方面主要使用的是APIC(Advanced Programmable Interrupt Controllers),即高级编程中断控制器。它是基于中断控制器两个基础功能单元——本地单元以及I/O单元的分布式体系结构。在多核系统中,多个本地和I/O APIC单元能够作为一个整体通过APIC总线互相操作。
 
  APIC的功能有:
 
  1. 接受来自处理器中断引脚的内部或外部I/O APIC的中断,然后将这些中断发送给处理器核心进行处理
  2. 在多核处理器系统中,接收和发送核内中断消息
 
  对于外部设备发出的中断请求,由全局中断控制器接收请求并决定交给CPU的哪一个核心处理。也可针对APIC编程,让所有的中断都被一个固定的CPU处理。

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