系统机制之中断分发 深入解析windows操作系统 学习笔记

系统机制之中断分发 深入解析windows操作系统 学习笔记

1.
硬件产生的中断往往是由I/O设备激发的，当这些设备需要服务时，它们以中断的方式通 知处理器。中断驱动的设备使操作系统可以交替地进行中心处理和I/O操作，从而最大限度地 发挥处理器的能力。线程启动一个与设备之间传输数据的I/O,然后，在该设备完成此I/O传输 的过程中，它可以执行其他有用的工作。当设备完成I/O传输以后，它中断处理器，请求服务。 定点设备、打印机、键盘、磁盘驱动器和网卡一般来说都是中断驱动的。
系统软件也可能产生中断。例如，内核可能会激发一个软件中断来触发线程分发过程，以 及异步地打断一个线程的执行。内核也可以禁止中断，以使处理器不会被中断，但是它只在 很少情况下这样做——只有在关键时刻才可以这样做，比如当处理器正在操纵中断控制器， 或者正在分发异常的时候。
内核安装了中断陷阱处理器来响应设备的中断。中断陷阱处理器或者将控制权传递给一 个负责处理该中断的外部例程（ISR）,或者传递给一个响应该中断的内部内核例程。设备驱 动程序提供了ISR来处理设备中断，而内核则为其他类型的中断提供了中断处理例程。
2.硬件中断处理
在Windows所支持的硬件平台上，外部I/O中断进入到中断控制器的一根线上。该控制器 接着在某一根线上中断处理器。处理器一旦被中断，就会询问控制器以获得此中断请求（IRQ,
interrupt request ）o中断控制器将该IRQ转译成一个中断号，利用该编号作为索引，在一个称为 中断分发表（IDT, interrupt dispatch table）的结构中找到一个IDT项，并且将控制权传递给恰 当的中断分发例程。在系统引导的时候，Windows会填充IDT,其中包含了指向负责处理每个 中断和异常的内核例程的指针。
Windows将硬件IRQ映射至IDT中的中断号上，同时利用IDT来为异常配置陷阱处理器。例 如，x86和x64针对页面错误的异常号（当线程企图访问虚拟内存中某个尚未定义或者不存在 的页面时就会发生这种异常）是0xe。因此，在IDT中Oxe这一项指向系统的页面错误处理 器。虽然Windows所支持的体系架构最多可允许256个IDT项，但是，一台特定的机器所能支持 的IRQ的数量却是由该机器所使用的中断控制器的具体设计决定的。
每个处理器都有单独的IDT,所以，如果合适，不同的处理器可以运行不同的ISR。例如， 在一个多处理器系统中，每个处理器都接收时钟中断，但是，只有一个处理器在响应该中断 的时候更新系统时钟。然而，所有的处理器都使用该中断来测量线程的时限（quantum）,以及 当线程的时限结束时，触发重新调度的过程。类似地，在有些系统配置中，可能要求由某一个 特定的处理器来处理特定的设备中断。
3.X86中断控制器
绝大多数x86系统或者依赖于i8259A可编程中断控制器（PIC）,或者依赖于i82489高级可 编程中断控制器（APIC）的某个变种；今天的计算机都包含APIC。PIC标准起源于最初的IBM PCo i8259APIC只能在单处理器系统上工作，并且只有8根中断线。然而，IBM PC体系架构额 外定义了一个PIC,称为从PIC （slave）,它的中断按多路复用的方式，连接到主PIC的某一根 中断线上。这样就提供了总共15根中断线（主PIC上7根，加上从PIC上的8根，这8根中断线通 过主PIC的第8根中断线进行多路复用）。APIC和SAPIC （Streamlined APIC,稍后讨论）工作在 多处理器系统上，有256根中断线°Intel和其他公司己经定义了多处理器规范（MP Specification）, 这是一种针对釆用了APIC作为中心控制的x86多处理器系统的设计标准。
为了保持与单处理 器操作系统的兼容性，以及使引导代码可以按单处理器模式来启动多处理器系统，APIC支持一种包含15个中断的PIC兼容模式，并且只将中断递交给主处理器。APIC实际上是由几个部件构成的：一个接收设备中断的I/OAPIC, 一些本地APIC,以及 一个与18259A兼容的中断控制器。本地APIC接收一条专门总线上来自I/O APIC的中断，它们 会中断与之关联的CPU；而i8259A兼容的中断控制器则负责将APIC输入转换成与PIC等价的 信号。因为系统中可以有多个I/OAPIC,所以，在主板上，I/OAPIC和处理器之间通常还有一 部分核心逻辑。这部分逻辑负责实现中断转送算法（interrupt routing algorithm）,通过中断转 送算法，既可以平衡各个处理器之间的设备中断负载，也可以设法利用位置特性，将设备中 断递交给刚刚承担了前一个同样类型中断的同一个处理器。