CPU的中断

目录

• 一.简介
• 二.具体
  • 方式
  • 硬中断
  • 软中断
  • 中断切换
  • 网卡中断
• 三.中断查看

一.简介

中断其实就是由硬件或软件所发送的一种称为IRQ（中断请求）的信号。中断允许让设备，如键盘，串口卡，并口等设备表明它们需要CPU。

一旦CPU接收了中断请求，CPU就会暂时停止执行正在运行的程序，并且调用一个称为中断处理器或中断服务程序（interrupt service routine）的特定程序。

举例：

比如说你订了一份外卖，但是不确定外卖什么时候送到，也没有别的方法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等人的，到了你这儿没人取的话，就直接走人了。所以你只能苦苦等着，时不时去门口看看外卖送到没，而不能干其他事情。

不过呢，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个电话，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到电话一响，接电话、取外卖就可以了。

这里的“打电话”，其实就是一个中断。没接到电话的时候，你可以做其他的事情；只有接到了电话（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖。

中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以，为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就有可能要运行很长时间。

二.具体

方式

中断服务程序或中断处理器可以在中断向量表中找到，而这个中断向量表位于内存中的固定地址中。中断被CPU处理后，就会恢复执行之前被中断的程序。

其实，在机器启动的时候，系统就已经识别了所有设备，并且也把相应的中断处理器加载到中断表中。

下面是请求CPU关注的两种方式：

1. 基于中断
2. 基于轮询

所有的linux操作系统都是基于中断驱动的。

当我们在键盘上按下一个按键时，键盘就会对CPU说，一个键已经被按下。在这种情况下，键盘的IRQ线路中的电压就会发生一次变化，而这种电压的变化就是来自设备的请求，就相当于说这个设备有一个请求需要处理。

/proc/interrupts 文件

在linux的机器上，/proc/interrupts这个文件包含有关于哪些中断正在使用和每个处理器各被中断了多少次的信息。

硬中断

对于上文所讨论的场景都是属于硬中断的例子。硬中断主要分为两种类别：

1. 非屏蔽中断(Non-maskable interrupts,即NMI）：就像这种中断类型的字面意思一样，这种中断是不可能被CPU忽略或取消的。NMI是在单独的中断线路上进行发送的，它通常被用于关键性硬件发生的错误，如内存错误，风扇故障，温度传感器故障等。

2. 可屏蔽中断（Maskable interrupts）：这些中断是可以被CPU忽略或延迟处理的。当缓存控制器的外部针脚被触发的时候就会产生这种类型的中断，而中断屏蔽寄存器就会将这样的中断屏蔽掉。我们可以将一个比特位设置为0，来禁用在此针脚触发的中断。

软中断

编程异常通常叫做软中断，软中断是通讯进程之间用来模拟硬中断的 一种信号通讯方式

通常，软中断是一些对I/O的请求。例如进程在往磁盘写数据，这些请求会调用内核中可以调度I/O发生的程序。对于某些设备，I/O请求需要被立即处理，而磁盘I/O请求通常可以排队并且可以稍后处理。

中断切换

中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断都不能响应，也就是说中断有可能会丢失。

假如你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由 2 个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是，问题又来了。

当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。

但是很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部：

• 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。
• 下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。

上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。

这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

网卡中断

网卡接收到数据包后，会通过硬件中断的方式，通知核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。

对上半部来说，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态（表示数据已经读好了），最后再发送一个软中断信号，通知下半部做进一步的处理。

而下半部被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。

上半部会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部以内核线程的方式执行，并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU 编号”，比如说， 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字就是ksoftirqd/0。

不过要注意的是，软中断不只包括了刚刚所讲的硬件设备中断处理程序的下半部，一些内核自定义的事件也属于软中断，比如内核调度和 RCU 锁（Read-Copy Update 的缩写，RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一）等。

三.中断查看

/proc/softirqs 提供了软中断的运行情况，它是系统运行以来的累积中断次数。

/proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况。

下面为网站服务器的信息，2核2G。

[root@web3-wiki ~]# cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          3          0
       TIMER:   23415546   24103542（定时中断）
      NET_TX:          5          7（网络接收中断）
      NET_RX:   39237430   16258579（网络发送中断）
       BLOCK:          0          0
BLOCK_IOPOLL:          0          0
     TASKLET:         77         48
       SCHED:   12851436   12960795（内核调度）
     HRTIMER:          0          0
         RCU:   10190519   10233604（RCU 锁）

查看这些中断次数的变化速率，高亮部分是变化部分

watch -d cat /proc/softirqs

注意点：

中断有不同类别，不同CPU应该分配均匀。

TASKLET 在不同 CPU 上的分布并不均匀。TASKLET 是最常用的软中断实现机制，每个 TASKLET 只运行一次就会结束 ，并且只在调用它的函数所在的 CPU 上运行。

因此，使用 TASKLET 特别简便，当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个 CPU 上运行导致的调度不均衡，再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制。

软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。那要怎么查看这些线程的运行状况呢？

查看

ps aux | grep softirq

这些线程的名字外面都有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数（cmline）。一般来说，ps 的输出中，名字括在中括号里的，一般都是内核线程。