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作 者：道哥，10+年的嵌入式开发老兵。
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[TOC]
在软件开发中，中断是一个绕不开的重要话题，但是，不知道您是否遇到过这样的困惑：
很多书籍、文章在介绍中断相关的知识点时，说的都挺有道理。
这篇文章对中断的讲解很正确，那篇文章在描述中断的时候也挺对的，但是，这两篇文章中，怎么有些内容是矛盾的啊？！
单独看任何一篇文章感觉都有道理，看的越多，反而越迷糊？
好比在森林里迷路了，如果只有一个指南针，肯定能走出来。
但是，如果你有
2
个指南针，所指的方向却是相反的，这个时候应该相信谁呢？！
我们仔细梳理了一下就会发现：每一篇文章都是在一定的语境、一定的上下文环境中来讲解的，不同文章的矛盾之处，恰恰是它们所描述的那个上下文大环境不同。
上下文环境，就是描述当前正在执行的程序相关的静态信息，比如：有哪些代码段，栈空间在哪里，进程描述信息在什么位置，当前执行到哪一条指令等等。
如果我们没有一个全局的视角，在同一个上下文环境中来对比不同的文章，就会让自己的理解和认识越来越蒙圈。
因此，对于这种概念比较庞杂，无法用某种确定的逻辑来贯穿的知识点，在脑袋中一定要有一幅全局的地图。
只有对这个全局的地图掌握了，在具体学习每一个局部的知识点时，才能知道自己所处的位置在哪里，才不至于走偏。
这篇文章，我们继续去繁从简，从
8086
这个最简单的处理器入手，来聊一下关于中断的一些知识。
有了这个储备，理清了基本的脉络之后，以后再去学习
Linux
系统中的中断相关内容时，才会有原来如此的感觉！
中断向量与中断描述符
中断向量这个词很时髦，也很神秘！
按道理，不应该在第一部分就端上中断向量这盘硬菜，应该从中断源开始聊起。
但是，毕竟我们已经学习过那么多关于中断的知识了，脑袋中肯定是对中断已经有了一些的基本认知。
所以，在这里我们还是首先来明确一下中断向量和中断描述符这个问题。
在前面的文章中已经聊过关于实模式和保护模式的问题，在 【Linux 从头学】这个系列中，我们一直以来描述的都是实模式下的事情。
本文是实模式下的最后一篇文章，下一篇文章将会进入保护模式。
那么，中断向量就是工作在实模式下的，处理器通过中断号和中断向量，来定位到相应的中断处理程序。
而中断描述符呢，就是工作在保护模式下，处理器通过中断号和中断描述符，来定位到相应的中断处理程序。
也就是说：中断向量和中断描述符，它俩的根本作用是一样的。
只是它们存在于不同的大环境中，而且从描述上也能感觉到，保护模式下的中断描述符会更复杂一些，功能也更强大一些。
它俩就像一对兄弟一样，从外表上看是差不多，功能也是类似。但是透入到内部去看，就会发现有很多的不同之处。
因此，这篇文章我们讲解的就是在实模式下的中断，这一点请大家先明白。
中断的分类
在
x86
系统中，中断的分类如下：
内部中断
所谓的内部中断，是在
CPU
内部产生并进行处理的。比如：
-
CPU 遇到一条除以 0 的指令时，将产生 0 号中断，并调用相应的中断处理程序;
-
CPU 遇到一条不存在的非法指令时，将产生 6 号中断，并调用相应的中断处理程序;
对于内部中断，有时候也称之为异常。
软中断也属于内部中断，是非常有用的，它是由
int
指令触发的。比如
int3
这条指令，
gdb
就是利用它来实现对应用程序的调试。
很久之前写过这样的一篇文章原来gdb的底层调试原理这么简单，其中就描述了
gdb
是如何通过插入一个
int
指令，来替换被调试程序的指令码，从而实现断点调试功能的。
外部中断
x86
CPU
上有
2
个中断引脚：
INT
和
INTR
，分别对应：不可屏蔽中断和可屏蔽中断。
所谓不可屏蔽，就是说：中断不可以被忽视，
CPU
必须处理这个中断。
如果不处理，程序就没法继续执行。
而对于可屏蔽中断，
CPU
可以忽略它不执行，因为这类中断不会对系统的执行造成致命的影响。
对于外部的可屏蔽中断，
CPU
上只有一根
INTR
引脚，但是需要产生中断信号的设备那么多，如何对众多的中断信号进行区分呢？
一般都是通过可编程中断控制器(
Programmable Interrupt Controller, PIC
)，在计算机中使用最多的就是
8259a
芯片。
虽然现代计算机都已经是
APIC
(高级可编程中断控制器) 了，但是由于
8259a
芯片是那么的经典，大部分描述外部中断的文章都会用它来举例。
每一片
8259a
可以提供
8
个中断输入引脚，两片芯片级联在一起，就可以提供
15
个中断信号：
-
主片的输出引脚 INT 连接到 CPU 的 INTR 引脚上;
-
从片的输出引脚 INT 连接到主片的引脚 2 上;
这样的话，两片
8259a
芯片就可以向
CPU
提供
15
个中断信号了，比如：鼠标、键盘、串口、硬盘等等外设。
8259a 之所以称作可编程，是因为它的内部有相关的寄存器。
可以通过指定的端口号，对这些寄存器进行设置，让 8 根 IRQ 中断线上的信号，在送到 CPU 时，对应不同的中断号。
另外，对于外部可屏蔽中断，有
2
层的屏蔽机制：
-
在 8259 芯片中，有中断屏蔽寄存器，可以对 IRQ0 ~ IRQ7 输入引脚进行屏蔽;
-
在 CPU 内部，也有一个标志寄存器，可以对某一类中断信号进行屏蔽;
中断号
在
x86
处理器中，一共支持
256
个中断，每一个中断都分配了一个中断号，从
0
到
255
。
其中，
0 ~ 31
号中断向量被保留，用来处理异常和非屏蔽中断(其中只有
2
号向量用于非屏蔽中断，其余全部是异常)。
当
BIOS
或者操作系统提供了异常处理程序之后，当一个异常产生时，就会通过中断向量表找到响应的异常处理程序，查找的过程马上就会介绍到。
从中断号
32
开始，全部分配给外部中断。
比如：
系统定时器中断 IRQ0，分配的就是 32 号中断;
Linux 的系统调用，分配的就是 128 号中断;
我们来分别看一下内部中断和外部中断相关的中断号：
对于通过
8259a
可编程中断控制器接入的中断信号分配如下图所示：
刚才已经说过，
8259a
是可编程的，假如我们通过配置寄存器，把
IRQ0
的中断号设置为
32
, 那么主片上
IRQ1 ~ IRQ7
所对应的中断号依次加
1
，从片上
IRQ8~IRQ15
对应的中断号也是依次递增。
所以，有时候我们可以在代码中断看到下面的宏定义：
中断向量和中断处理程序
当一个中断发生的时候，
CPU
获取到该中断对应的中断号，下一步就是要确定调用哪一个函数来处理这个中断，这个函数就称作中断服务程序(Interrupt Service Routine，ISR)，有时候也称作中断处理程序、中断处理函数，本质都一样。
中断向，就是通过中断号去查找处理程序的重要的桥梁！
中断向量的本质
在
8086
中，一个中断向量，就是一个 段地址:中断处理函数偏移量 这样的一对数据，通过这个数据，就可以定位到内存中指定位置的那个中断处理函数。
非常类似于高级编程语言中的函数指针，就是用来指向一个函数的开始地址。
8086
规定：
256
个中断向量，必须从内存的
0
地址处开始存放。
每一个中断向量占用
4
个字节(
2
个字节的段地址，
2
个字节的偏移地址)，
256
个中断一共占用了
1024
个字节的空间。
之前的文章中，已经介绍过相关的内存模型，如下图所示：
如果把一个中断向量看作函数指针，那么这个中断向量表就相当于是函数指针数组。
举例：
假设
2
号中断被触发了，
CPU
就会到中断向量表中查找
2
号中断的中断向量。
因为每一个中断向量占据
4
个字节，那么
2
号中断向量的开始地址就是
2 * 4 = 8
，第
8
个字节。
然后在第
8
个字节开始，取
4
个字节的内容：
0x1000:0x2000
。
意思是：
2
号中断的处理函数，在段地址为 0x1000，偏移量为 0x2000 的位置处。
那么
CPU
就按照
8086
的物理地址计算方式，得到中断处理函数的物理地址为
0x12000
(段地址左移
4
位 + 偏移地址)，于是就跳转到该函数地址处去执行。
由于 Linux 系统是运行在保护模式，在这个模式下，当发生中断时，是通过中断描述符来查找中断处理函数的。
每一个中断描述符，描述了一个中断处理函数所在段的选择子和偏移量，本质上也是用来查找一个中断处理函数。
中断处理程序的安装
既然通过中断向量，找到了中断处理程序，那么这些中断处理程序都是谁放在内存中的呢？
如果您看过一些比较底层的计算机书籍，就能看到一般都会举例：如何手动的把一个普通函数设置为一个中断处理程序。
操作步骤是：
-
在代码中，写一个普通函数;
-
把这个函数的指令码，搬运到内存中的某一个位置;
-
把这个位置(段地址:偏移量)，作为一个中断向量，设置到中断向量表中;
此时，如果发生了该中断，你所提供的函数就作为中断处理函数被执行了。
当然了，在一个计算机系统中，
BIOS
、操作系统和各种外设，会自动为我们提供很多基本的中断处理函数的。
比如：
BIOS
中就提供了软中断、内部中断、硬件中断等处理函数，这些函数是固化在
BIOS
的代码中的(映射到
BIOS
所在的
ROM
芯片上)，
BIOS
只需要把这些处理函数的地址，写入到中断向量表中的相应位置即可。
在之前的文章中提到过，内存中的某些位置是映射到外设的
ROM
，在这些外设的
ROM
中也存在一些外设自带的程序。
BIOS
在启动时，会扫描这些映射到外设的内存空间，通过某些关键字信息，如果发现外设有自带的程序，就会去执行。
这些外设程序一般是进行一些自身的初始化，并填写相关的中断向量表，使它们指向外设自带的中断处理程序。
对于操作系统来说就更不用说了，它会重新安排自己需要的中断处理函数，这部分内容我们以后再一起学习、讨论！
中断现场的保护和恢复
当一个中断发生的时候，肯定有一个正在执行的程序被打断。
当中断处理函数执行结束之后，这个被打断的程序需要从刚才被打断的地方继续执行(暂时先不要考虑从中断返回点，进行多任务切换的事情)。
而一个程序执行的上下文环境，就是处理器中的各种寄存器内容：代码段寄存器
cs
，指令指针寄存器
sp
，标志寄存器
FLAGS
。
但是，在中断处理程序中，也需要使用这些寄存器。
处理器中的这些寄存器，就是每一个程序执行时上下文信息的存储容器，当然也包括终端处理程序！
因此，在进入中断处理程序之前，
CPU
会自动的把这些寄存器
push
到栈中保存起来，然后再跳转到中断处理程序中去执行。
当中断处理程序执行结束后，
CPU
会从栈中弹出这些内容，恢复到相应的寄存器中，于是被打断的程序就可以继续执行了。
总结：中断的本质
从功能的角度看，中断有
2
个作用：
-
提供执行异步序列的机制；
-
给应用程序提供进入系统层的入口；
关于第
2
点，以后在介绍到
Linux
中的
int 0x80
中断就非常清楚了，也就是通过中断，让应用层的程序有机会进入到系统代码中去执行。
因为应用层与操作系统层的代码，是工作在不同的安全级别。
为了系统的安全，
Linux
操作系统提供了这样的一个机制，让低安全级别的应用程序，进入到高安全级别的操作系统代码中去执行，毕竟所有的硬件等系统资源都是由操作系统来统一管理的。
我们再从中断处理程序的安装角度来看，中断本质上就是增加了一层间接性：通过固定位置的中断向量表，让中断处理函数的实际地址可以被动态的放在任意位置。
为什么这么说？
假如操作系统想为某一个中断提供处理函数，那么这个处理函数的地址放在内存中的什么位置比较合适?
需要考虑
CPU
, 内存大小和布局等多种因素，非常复杂！
而通过使用中断向量表，就在一个固定位置处存放了很多个“指针”。
当中断处理函数放在内存中某个任意位置之后，让“指针”指向这个函数的地址就可以了，从而达到解耦的目的。
这样的话，无论是发生硬件中断，还是应用层代码通过中断门来调用操作系统提供的函数，只要触发相应的中断就可以了，简化了
CPU
的设计。
—— End ——
关于中断的相关内容，还有很多需要学习，任重而道远！
特别是在
Linux
系统中，中断处理又分为上半部分、下半部分，而下半部分又可以根据不同的功能需求采取不同的机制来处理。
我仍然是持有之前的观点：磨刀不误砍柴工。
把学习周期拉长，一点一滴的积累，Haste Makes Waste！
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