Linux作業系統下CPU的中斷

中斷其實就是由硬體或軟體所發送的一種稱為IRQ（中斷要求）的訊號。

中斷允許讓設備，如鍵盤，串口卡，並口等設備表明它們需要CPU。

一旦CPU接收了中斷請求，CPU就會暫時停止執行正在執行的程序，並且呼叫一個稱為中斷處理器或中斷服務程序（interrupt service routine）的特定程式。

中斷服務程序或中斷處理器可以在中斷向量表中找到，而這個中斷向量表位於記憶體中的固定位址中。中斷被CPU處理後，就會恢復執行先前中斷的程式。

其實，在機器啟動的時候，系統就已經辨識了所有設備，也把對應的中斷處理器載入到中斷表中。

以下是請求CPU關注的兩種方式：
1. 基於中斷
2. 基於輪詢

所有的linux作業系統都是基於中斷驅動的。

當我們在鍵盤上按下一個按鍵時，鍵盤就會對CPU說，一個鍵已經被按下。在這種情況下，鍵盤的IRQ線路中的電壓就會發生一次變化，而這種電壓的變化就是來自設備的請求，就等於說這個設備有一個請求需要處理。

/proc/interrupts 檔案
在linux的機器上，/proc/interrupts這個檔案包含有關於哪些中斷正在使用和每個處理器各被中斷了多少次的資訊。
# cat /proc/interrupts 
          CPU0  CPU1  CPU2  CPU3 
  0: 37103744484    ##  0: 37103744484     0  0: 3710374484     0     20      0    0    0  IO-APIC-edge  i8042 
  6 :          5      0    0    0  IO-APIC-edge  floppy 
  7:     
  8:          0      0    0    0  IO-APIC-edge  rtc 
  9:  IO-APIC-level  acpi 
 12:        240      0    0    0  IO-APIC-edge   IO-APIC-edge  ide0 
 51:  61281329      0    0    0  IO-APIC-level ioc0 
 59:          1      0    0    0  IO-APIC-level  vmci 
 67:  193864731   eth0 
 75:  94595340      0    0    0  IO-APIC-level  eth1 
NMI :          0      0    0    0
LOC: 3737150067 3737142382 3737145101 3737144420        0

對上面檔案的輸出，解釋如下：
● 第一列表示IRQ號
● 第二、三、四列表示對應的CPU核心中斷的次數。在上面的例子中，timer表示中斷名稱（為系統時鐘）。 3710374484表示CPU0中斷了3710374484次。 i8042表示控制鍵盤和滑鼠的鍵盤控制器。

● 對於像rtc（real time clock）這樣的中斷，CPU是不會被中斷的。因為RTC存在於電子設備中，是用來追蹤時間的。

● NMI和LOC是系統所使用的驅動，使用者無法存取和配置。

IRQ號決定了需要被CPU處理的優先權。 IRQ號越小意味著優先權越高。
例如，如果CPU同時接收了來自鍵盤和系統時鐘的中斷，那麼CPU首先會服務於系統時鐘，因為他的IRQ號碼是 0 。
● IRQ0 ：系統時脈（不能改變）

● IRQ1 ：鍵盤控制器（不能改變）

● IRQ3 ：串列埠2的串列控制器（如有串列埠4，則其也使用此中斷）
● IRQ4 ：串列埠1的串列埠控制器（如有串列埠3，則其也使用此中斷）
● IRQ5 ：並口2和3 或音效卡
● IRQ6 ：軟碟控制器
● IRQ7 : 並口1。它被用於印表機或如果沒有印表機，可以用於任何的並口。

而對於像操作桿（或稱為遊戲手把）上的CPU，它並不會等待裝置發送中斷。因為操作桿主要用於遊戲，操作桿的移動必須非常快，因此使用輪詢的方式檢測設備是否需要CPU的關注還是比較理想的。使用輪詢方式的缺點是CPU就處於忙碌等狀態，因為CPU會不停的多次檢查設備。但是需要注意的是在linux中，這種處理訊號的方式也是不可或缺的。

硬中斷
對於上文所討論的場景都是屬於硬中斷的例子。硬中斷主要分為兩種：
1. 非屏蔽中斷(Non-maskable        interrupts,即NMI）：就像這種中斷類型的字面意思一樣，這種中斷是不可能被CPU忽略或取消的。 NMI是在單獨的中斷線路上進行發送的，它通常被用於關鍵性硬體發生的錯誤，如記憶體錯誤，風扇故障，溫度感測器故障等。
2. 可屏蔽中斷（Maskable interrupts）：這些中斷是可以被CPU忽略或延遲處理的。當快取控制器的外部針腳被觸發的時候就會產生這種類型的中斷，而中斷屏蔽暫存器就會將這樣的中斷屏蔽掉。我們可以將一個位元位元設為0，來停用在此針腳觸發的中斷。

軟體中斷
這些中斷是在CPU執行指令（也就是說在行程正在運作的時候）的時候產生的，因為在執行指令時，CPU（確切的說法是在CPU中的運算器）本身會產生一個異常（此處的異常也可理解為軟中斷）。

例如，一個數字除以0（當然這是不可能的），此時就會導致一個divide-by-zero的異常，從而導致電腦將此計算取消或顯示一個錯誤的訊息。

在檔案/proc/stat中，包含了一些關於系統內核的統計信息，也包含了一些中斷資訊。
# cat /proc/stat 
cpu  17028082 5536753 5081493 1735530500 42592308 90006 479750 0##cpu0 57691864576916453## 9406374 90006 284864 0
cpu1 3714389 1451937 1186134 444082258 1084780 0 64876 0
cpu2 37915443791544 1471013 1211868 443988514 1056981 0 64764 0
cpu3 3752971 1443119 1187740 444091373 1044119 1187740 444091373 1044119 1187740 444091373 1044172726451 ated

在intr這一行，顯示了自系統啟動以來所產生的中斷數。第一列表示所有被服務的中斷數。後續的每一列都表示一個特定中斷的總數。

SMP_AFFINITY

SMP是指對稱多處理器。 smp_affinity檔案主要用於某個特定IRQ要綁定到哪個CPU核心上。在/proc/irq/IRQ_NUMBER/目錄下都有一個smp_affinity文件，這個文件中，所表示的CPU核心以十六進位來表示的。例如，網路卡的中斷號碼是：

grep eth0 /proc/interrupts 

67: 23834931 0 0 0 IO-APIC-level eth0 

                                     
cat /proc/irq/67/smp_affinity
00000000,00000000,00000000,0000000000000000,00000000,00000000,00000001

上面的十六進位的對應是所有相關驅動的CPU0來提供服務的。

我們可以透過手動改變smp_affinity檔案中的值來將IRQ綁定到指定的CPU核心上，或者啟用irqbalance服務來自動綁定IRQ到CPU核心上。

IRQ Balance

Irqbalance是一個linux的實用程序，它主要是用於分發中斷請求到CPU核心上，有助於效能的提升。它的目的是尋求省電和性能優化之間的平衡。你可以使用yum進行安裝：
 # rpm -qa | grep irqbalance 
irqbalance-0.55-15.el5 
# yum search irqbalance 
# yum install irqbalance.x86_64

 

啟動irqbalance服務後，中斷在CPU上的分佈如下：
 # cat /proc/interrupts 
          CPU0    CPU1      CPU2       0          0  IO-APIC-edge  timer 
1:        13        0        0          0  IO-APIC-edge  i8042 
  6:        96    10989      470          0  IO-APIC-edge  floppy 
  7:          0        0        0          0  IO-APIC-edge  parport0 
  8:          1        0        0 0  IO-APIC-edge  rtc 
  9:          0        0        0         1787        0          0  IO-APIC-edge  i8042 
 15:      - edge  ide1 
 51:      17371        0  46689970          0  IO-APIC-level  ioc0 
 67:      1741        0        0  225409160  PCI-MSI  eth0 
 83:          0        0        0          0  PCI-MSI  vmci 
NMI:          0        0 0          0
LOC:  950902917  950903742  950901202  950901400##ERR:#   rqbalance對於包含多個核心的系統來說是非常有用的。因為通常中斷只被第一個CPU核心服務。

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