Select a result to preview

3. CPU 和指令系统｜中断机制

重要的四个概念区分

Interrupts Exceptions Trap System call
Interrupts are asynchronous events triggered by external devices. Exceptions are synchronous events caused by instruction execution. A trap is a synchronous transfer of control to the OS, typically used for system calls or debugging.

Traps are a type of exception that return to the next instruction.		 System calls are implemented via traps.

A system call is a controlled entry point into the kernel.
中断的特点：

* 来自于硬件
* 和 CPU 当前正在执行的指令无关，是异步的.

* 例如键盘输入、磁盘完成、时钟中断、网络包到达。

目的是通知 CPU 有硬件事件发生，需要 OS 介入处理。		 异常的特点
* 是 CPU 执行某个指令的过程中发生的，和当前正在执行的指令是同步的。
* 例如除 0、page fault（缺页、也叫缺页中断）、访问越界。		 * Trap 本质是一种特殊的异常（a sub class of exceptions），由软件主动触发，和当前执行的指令是同步的。

* 用途：系统调用（syscall）、断点 (breakpoint))、调试陷阱 (debug trap)
* 和 Exceptions 的区别是 Trap 是故意触发的，而 Exceptions 是错误，是预期之外的。
* 系统调用就是用户程序通过 trap 指令主动让 CPU 转入内核态，来执行内核服务。
【注：408 中管 Exceptions 叫做内部中断。即 408 中没有这些区分，Interrupts 和 Exceptions 通通叫中断，然后把中断分了个内部中断和外部中断，纯纯傻逼行为。】
【Trap 和 System call 也是，统称为系统调用。】

中断机制

中断的本质是硬件或者 CPU 主动打断当前执行的流程，让内核处理事件的一种通知机制。整个过程由硬件+软件一起完成。

中断可以分为两类，根据是不是发生在 CPU 核心内部（ALU、寄存器、流水线等），分为内部中断和外部中断。
内部中断例如 ALU 中除 0、MMU 中缺页，
外部中断例如计时器到时、硬盘、键盘、网卡等（计时器虽然封装在 CPU 里，但是属于 CPU 的外围设备，不在 Core 里）

进程 P 通过执行系统调用从键盘接受一个字符输入的过程：

  1. 【用户程序调用】用户进程执行 read(STDIN_FILENO, buf ,1) ，触发 trap，在 x86 中叫做 syscall.
    1. 触发 trap 后，硬件自动完成以下
      1. 保存当前用户态寄存器
      2. 切换到内核态
      3. 切换到内核栈
      4. 跳转到系统调用入口 syscall_entry
  2. 【内核程序处理】内核执行对应的系统调用函数（假设为 sys_read, 通过 syscall_entry 进入），内核检查键盘缓冲区为空，故 read 无法立刻返回。于是内核将程序 P 放入到阻塞队列中. 并通过 schedule() 切换到另外一个进程执行。
  3. 【用户通过硬件发中断】用户在键盘上输入字符，键盘控制器向 CPU 发送硬件中断，CPU 响应
    1. 自动切换到内核态（如果此时 CPU 是用户态的话）
    2. 自动保存当前执行现场（现场：context 是包含断点的，断点指的是程序计数器 PC、程序状态字等信息。）
      1. 断点：由硬件（也叫中断隐指令）保存完成，包含 PC 计数器、程序状态字等信息。
      2. 其他寄存器由软件完成，在对应的 syscall_entry 的汇编程序的入口。
    3. 根据 IDT 跳转到对应的中断服务例程（ISR）
  4. 【内核的中断处理程序执行】启动键盘中断处理程序（ISR）
    1. ISR 只扫描哪个按钮按下, 然后传递给键盘驱动程序。
    2. 键盘驱动程序继续处理。
      1. 将字符从键盘控制器读入系统缓冲区（键盘驱动程序做的事情：将按钮映射为键值、处理修饰键、更新键盘状态、写入 input event ring buffer、通过 wake_up() 唤醒被阻塞的进程）
      2. 将进程 p 插入到就绪队列（是键盘驱动程序做的）
  5. 【又调度到了用户程序】进程 P 从系统调用返回（C 语言层面）
    1. 系统调用出口（内核汇编层）
    2. CPU 执行iretq 汇编指令，CPU 返回到用户态。
    3. 执行之前的指令（Exceptions 类，例如缺页中断）或执行下一条指令（外部中断、Trap、System Call，例如键盘输入）。

中断的过程为：

  1. 保护现场（现场 context 是包含断点的，断点指的是程序计数器 PC、程序状态字等信息。）
  2. 切换到内核态
  3. 查找 IDT（中断描述符表）
  4. 跳转到对应的中断处理程序（这些中断处理程序并不一定都是内核本来就带的，可能是设备制造商的驱动程序，不过这种驱动程序本身就是内核代码的一部分）
  5. 处理完成后通过 iret 返回先前执行点，执行中断前的指令（缺页中断，要重新执行）或者下一条指令（硬件中断，例如键盘输入）。

对比系统调用：

  1. 保存当前执行状态（用户态寄存器）
  2. 切换到内核态
  3. 切换到内核栈
  4. 跳转到系统调用表处理对应的函数（这些系统调用函数都是内核的）
  5. 执行完成后返回用户态，执行下一条指令。