interrupt - CPU如何找到ISR并区分设备

Question

首先，我应该分享我所知道的一切-那完全是混乱。关于这个主题有几个不同的问题，所以请不要烦恼:)。

1）为了找到一个ISR，CPU提供了一个中断号。在x86机器（286/386及更高版本）中，有一个带有ISR的IVT；每个条目的大小为4个字节。因此，我们需要将中断号乘以4才能找到ISR。因此，第一个问题是-我对CPU接收中断的机制完全感到困惑。要引发中断，首先设备应探测IRQ，然后呢？中断号向CPU传递“在IRQ上”？我还读过类似将ISR地址放在数据总线上的设备的内容；那是什么？取代ISR的设备的概念是什么。有人能告诉我一些示例设备，这些设备会在其中轮询CPU吗？它在哪里为他们找到ISR？

2）如果两个设备共享一个IRQ（很有可能），它们之间的CPU有何不同？如果两个设备同时发出相同优先级的中断该怎么办。我知道会有相同类型的屏蔽和低优先级的中断-但是这种通信如何在CPU和设备控制器之间发生？我研究了PIC和APIC在此问题上的作用，但无法理解。

谢谢阅读。
非常感谢您的回答。

Answer 1

CPU不会轮询中断，至少在软件意义上不会。对于软件，中断是异步事件。

发生的情况是CPU内的硬件识别出中断请求，这是中断线上的电输入，并且作为响应，搁置了事件的正常执行以响应中断。在大多数现代CPU中，接下来发生的情况取决于特定于CPU类型的硬件握手，但是大多数它们从中断设备中接收到某种类型的信号。该数字可以是8位或32位或其他，这取决于CPU的设计。然后，CPU使用该中断号索引到中断向量表中，以找到一个地址来开始执行中断服务程序。一旦确定了该地址，（并且当前执行上下文安全地保存到了堆栈中），CPU就开始执行ISR。

当两个设备共享一条中断请求线时，它们可以通过在握手过程中返回不同的中断号来导致不同的ISR运行。如果有足够的向量可用，则每个中断设备都可以使用其自己的中断向量。

但是，只要共享的ISR足够聪明，可以返回给定中断的所有可能来源，并检查状态寄存器以查看哪个设备请求服务，两个设备甚至可以共享中断请求线和中断向量。

多一点细节

假设您有一个由CPU，中断控制器和中断设备组成的系统。在过去，这些设备本来是分开的物理设备，但是现在这三个设备甚至可能都驻留在同一芯片中，但是所有信号仍然在陶瓷外壳内。我将使用带有集成中断控制器的powerPC（PPC）CPU，该控制器连接到PCI总线上的设备，作为一个很好的例子。

假设设备是一个正在传输某些数据的串行端口。典型的串行端口驱动程序会将大量数据加载到设备的FIFO中，并且CPU可以在设备工作时正常工作。通常，可以将这些设备配置为在设备传输数据不足时生成中断请求，以便设备驱动程序可以返回并向其中提供更多信息。

设备中的硬件逻辑将期望PCI总线中断应答，这时可能会发生两件事。一些设备使用“自动矢量化”，这意味着它们依靠中断控制器来确保选择了正确的服务例程。其他的将有一个寄存器，设备驱动程序将对其进行预编程，该寄存器包含一个中断向量，设备将响应中断应答将其放置在数据总线上，以供中断控制器使用。

一个PCI总线只有四个中断请求线，因此我们的串行设备必须断言其中之一。 （此时，这无关紧要，通常与插槽有关。）接下来是中断控制器（例如PIC / APIC），它将基于是否设置了掩码位来决定是否确认中断。它自己的寄存器。假设它确认了中断，则它要么从中断设备（通过数据总线）获得向量，要么可以编程使用API​​C自己的设备驱动程序提供的“ canned”值。到目前为止，CPU一直很高兴没有意识到所有这些情况，但是这种情况即将改变。

现在是时候让中断控制器引起CPU内核的注意了。 CPU将具有自己的中断屏蔽位，这可能导致它仅忽略来自PIC的请求。假定CPU准备好处理中断，现在就可以开始执行实际操作了。通常，在ISR开始之前，必须先退出当前指令，因此对于流水线处理器而言，这有点复杂，但是可以说，在指令流中的某个时刻，处理器上下文已保存到堆栈和硬件中确定的ISR接管。

一些CPU内核具有多个请求行，并且可以通过硬件逻辑来开始缩小ISR的运行范围，该逻辑将CPU指令指针跳转到少数顶级处理程序之一。旧的68K，可能还有其他的那样。 powerPC（我相信x86）只有一个中断请求输入。 x86本身的行为有点像PIC，可以从外部PIC获取向量，但是powerPC只是跳到了固定地址0x00000500。

在PPC中，0x0500处的代码可能会立即跳到内存中某个地方，那里有足够的空间来放置一些严肃的决策代码，但它仍然是中断服务程序。该例程将首先转到PIC并获取向量，然后还要求PIC停止向CPU内核声明中断请求。一旦知道了向量，顶层ISR便可以处理一个更具体的处理程序，该处理程序将为所有已知正在使用该向量的设备提供服务。然后，特定于向量的处理程序将沿着分配给该向量的设备列表浏览，检查这些设备中的中断状态位，以查看哪些设备需要服务。

当发现某个设备（例如假设的串行端口）需要服务时，该设备的ISR会采取适当的措施，例如，将下一个FIFO的有价值的数据从操作系统缓冲区中加载到端口的发送FIFO中。某些设备会响应访问而自动放弃其中断请求，例如，将字节写入传输FIFO可能会导致串行端口设备取消激活请求线。其他设备将需要特殊的控制寄存器位来进行切换，设置，清除和处理，以丢弃请求。有成千上万个不同的I / O设备，并且似乎没有两个设备以相同的方式进行操作，因此很难一概而论，但这通常是这样的方法。

现在，显然还有更多话要说-中断优先级如何？在多核处理器中会发生什么？嵌套中断控制器呢？但是我已经烧毁了服务器上足够的空间。希望这对您有所帮助。