Linux中断和系统调用的解析
系统调用和中断的结构图
作者：番茄味的可比克
链接：https://www.zhihu.com/question/30432536/answer/54998416
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。中断：又称为异步中断，是其他硬件依照CPU时钟信号随机产生的。中断又被分为可屏蔽硬件中断和不可屏蔽中断。在微机原理课程中，处理器中有两个引脚NMI和INTR负责接受中断信号，还有高级可编程中断控制器（APIC），如8259A管理中断信号。则可屏蔽硬件中断：任何通过INTR或着局部APIC传递到处理器的中断信号都被称为可屏蔽硬件中断，由IO设备产生的IRQ（Interrupt ReQuest）也是可屏蔽硬件中断。但是通过INTR引脚传递的可屏蔽硬件中断可使用Intel架构定义的中断向量（0-255），而局部的APIC传递的部分只能使用16-255号向量。若中断信号从NMI引脚传递过来，则发生的是一个不可屏蔽中断。
像我们常见的，键盘、网卡输入就是异步中断，异步中断(硬中断)的处理我们在汇编语言中已经学过了
不可屏蔽中断源一旦提出请求，cpu必须无条件响应，而对于可屏蔽中断源的请求，cpu可以响应，也可以不响应。cpu一般设置两根中断请求输入线：可屏蔽中断请求INTR(Interrupt Require)和不可屏蔽中断请求NMI(Nonmaskable Interrupt)。对于可屏蔽中断，除了受本身的屏蔽位的控制外，还都要受一个总的控制，即CPU标志寄存器中的中断允许标志位IF(Interrupt Flag)的控制，IF位为1，可以得到CPU的响应，否则，得不到响应。IF位可以有用户控制，指令STI或Turbo c的Enable()函数，将IF位置1(开中断)，指令CLI或Turbo_c 的Disable()函数，将IF位清0(关中断)。
典型的非屏蔽中断源的例子是电源掉电，一旦出现，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。
典型的可屏蔽中断源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，因为让打印机等待儿是完全可以的。
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原文链接：https://blog.csdn.net/lidandan2016/java/article/details/53437273
异常：又称为同步中断，是当指令执行时CPU控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后CPU才会发出中断。在不失进程执行连续性的同时，按引起的异常的指令是否能重新执行,且依据它们被报告的方式，异常分为错误，陷阱，和终止三种情况。
错误：错误是一种通常可以能够被修正的异常，一旦修正，程序能够不失去连续性地接着执行。当报告错误发生时，处理器将机器状态恢复到执行错误之前的状态。错误处理例程的返回地址指向产生错误的指令，而不是错误指令之后的的那条指令。如页错误。
陷阱：当引起陷阱的指令发生时，马上产生该异常。陷阱允许程序不失去连续性的继续执行。陷阱处理例程的返回地址指向引起陷阱的指令的下一条指令（与错误本质上的区别）。如溢出。
终止：它并不总是报告产生异常的指令的确定位置，也不允许引起终止的进程或任务重新执行。如总线错误导致异常终止。
Linux中的中断向量：
0-19的中断向量对应于异常和非屏蔽中断。
20-31Intel保留
32-127可屏蔽硬件中断
128用于系统调用的可编程异常
129-238可屏蔽硬件中断
239本地APIC时钟中断
240本地APIC高温中断
241-250由Linux留作将来使用
251-253处理器间中断
254本地APIC错误中断
255本地APIC伪中断(CPU屏蔽某个中断时产生的)
软中断又叫做编程异常，主要用于执行系统调用即*int 0x80*以及给调试程序通报一个特定的事件，所以软中断是异常的一种，属于同步中断。
而我们的系统调用又是基于软中断实现的：注意，我说的是系统调用是基于软中断实现的，而不是说系统调用就是软中断！这一点看下面的系统调用原理就知道了
Linux中断和系统调用过程
之后我们主要研究系统调用、其他异常和硬中断，所以我们在以后就把硬中断简称为中断，也使用异常、系统调用以示区分
借助这副图我们可以看到，用户程序和内核之间的交互主要是通过系统调用实现的，而内核和外部设备之间主要是通过硬中断
系统调用的执行过程
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通过特定指令发出系统调用（int 0x80、sysenter、syscall）
这个int 0x80就是用于系统调用的可编程异常，当然这只是实现方法之一，由于通过中断方式发起系统调用的性能较差，较新的CPU和内核都支持使用sysenter和syscall这两条专用指令来发起系统调用。其中sysenter在32位系统中使用，对应的退出指令为sysexit；syscall在64位系统中使用，对应的退出指令为sysret。
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CPU从用户态切换到内核态，进行一些寄存器和环境设置
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调用system_call内核函数，通过系统调用号在系统调用表中获取对应的服务例程
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调用系统调用处理例程
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使用特定指令从系统调用返回用户态（iret、sysexit、sysret）
可以看到，和硬件中断不同，软中断基本上是由操作系统的内核处理的。而所有的系统调用也只使用了一个中断向量
硬件中断的执行过程
- 驱动设备将自己的中断处理程序写入内核，在加载内核的时候将中断向量表初始化，中断向量表中有驱动程序处理中断的函数的中断向量
中断向量:是指中断服务程序入口地址的偏移量与段基值，一个中断向量占据4字节空间。中断向量表是8088系统内存中最低端1K字节空间，它的作用就是按照中断类型号从小到大的顺序存储对应的中断向量，总共存储256个中断向量。在中断响应过程中，CPU通过从接口电路获取的中断类型号（中断向量号）计算对应中断向量在表中的位置，并从中断向量表中获取中断向量，将程序流程转向中断服务程序的入口地址。
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CPU在指令周期的执行周期末进行检测查看有无中断，有中断请求且可以处理时就进入中断周期，开始做准备工作，保存断点，确定中断向量(中断处理程序入口地址)，然后置为PC，之后就又是取指、执行了。
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底层的外部设备和计算机通信使用的就是中断：硬件（比如说键盘按了一下）触发了一个电信号，这个信号通过中断线到达中断控制器i8259A，i8259A接受到这个信号后，向CPU发送INT信号申请CPU来执行刚才的硬件操作，并且将中断类型号也发给CPU
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CPU中断后去查中断向量表，找到中断服务例程，例程调用对应的设备驱动与外部设备之间通信
可以看到，硬件中断中基本是CPU的工作，涉及到操作系统内核的部分很少
关于中断向量的细节以及实现，可以看这篇文章:https://www.cnblogs.com/frankyou/p/8649435.html
Reference
- https://blog.csdn.net/weixin_41376979/article/details/83756975?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task
- https://www.cnblogs.com/answercard/p/4288431.html
- https://www.zhihu.com/question/30432536
- https://blog.csdn.net/dillanzhou/java/article/details/82733562
- https://www.cnblogs.com/frankyou/p/8649435.html