摘要：本文主要從內核實現的角度分析了Linux 2.4.0內核的設備中斷流程。本文是為那些想要了解Linux I/O子系統的讀者和Linux驅動程序開發人員而寫的。
關鍵詞：Linux、中斷、設備驅動程序
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§5．1 I386的中斷與異常
中斷通常被分為“同步中斷”和異步中斷兩大類。同步中斷是指當指令執行時由CPU控制單元產生的中斷，之所以稱為“同步中斷”是因為只有在一條指令中止執行後CPU才會發出這類中斷信號。而異步中斷則是指由其他硬件設備依照CPU時鐘隨機產生的中斷信號。
在Intel 80x86 CPU手冊中，同步中斷和異步中斷也被分別稱為“異常（Exception）”和“中斷（Interrupt）”。Intel又詳細地把中斷和異常細分為以下幾類：
（1）中斷
1. 可屏蔽中斷（Maskable Interrupt）：這類中斷被送到CPU的INTR引腳，通過清除eflag寄存器的IF標志可以關閉中斷。
2. 不可屏蔽中斷（Nonmaskable Interrupt）：被送到CPU的NMI引腳，通常只有幾個危急的事件，如：硬件故障等，才產生不可屏蔽中斷信號。寄存器eflag中的IF標志對這類中斷不起作用。
（2）異常
1. 處理器探測異常（Processor－detected exception）：當CPU執行一條指令時所探測到的一個反常條件所產生的異常。依據CPU控制單元產生異常時保存在內核態堆棧eip寄存器的值，這類異常又可以細分為三種：
n 故障（Fault）：保存在eip中的值是引起故障的指令地址，因此但異常處理程序結束後，會重新執行那條指令。“缺頁故障”是這類異常的一個常見例子。
n 陷阱（Trap）：保存在eip中的值是一個指令地址，但該指令在引起陷阱的指令地址之後。只有當沒有必要重新執行已執行過的指令時，才會觸發trap，其主要用途是調試程序。
n 異常中止（Abort）：當發生了一個嚴重的錯誤，致使CPU控制單元除了麻煩而不能在eip寄存器中保存有意義的值。異常中止通常是由硬件故障或系統表中無效的值引起的。由CPU控制單元發生的這個中斷是一種緊急信號，用來把CPU的執行路徑切換到異常中止的處理程序，而相應的ISR通常除了迫使受到影響的進程中止外，別無選擇。
2. 編程異常（Programmed Exception）：通常也稱為“軟中斷（software interrupt）”，是由編程者發出中斷請求指令時發生的中斷，如：int指令和int3指令。當into（檢查溢出）和bound（檢查地址越界）指令檢查的條件不為真時，也引起編程異常。CPU控制單元把編程異常當作Trap來處理，這類異常有兩個典型的用途：一、執行系統調用；二、給調試程序通報一個特定條件。
5．1．1 中斷向量
每個中斷和異常都可以用一個0－255之間的無符號整數來標識，Intel稱之為“中斷向量（Interrupt Vector）”。通常，不可屏蔽中斷和異常的中斷向量是固定的，而可屏蔽中斷的中斷向量則可以對中斷控制器進行編程來改變。I386 CPU的256個中斷向量是這樣分配的：
1. 從0－31這一共32個向量用於異常和不可屏蔽中斷。
2. 從32－47這一共16個向量用於可屏蔽中斷，分別對應於主、從8259A中斷控制器的IRQ輸入線。
3. 剩余的48－255用於標識軟中斷。
Linux全部使用了0－47之間的向量。但對於48－255之間的軟中斷向量，Linux只使用了其中的一個，即用於實現系統調用的中斷向量128（0x80）。當用戶態下的進程執行一條int 0x80匯編指令時，CPU切換到內核態，以服務於系統調用。
Linux在頭文件include/asm-i386/hw_irq.h中定義了宏FIRST_EXTERNAL_VECTOR來表示第一個外設中斷（即8259A的IRQ0）所對應的中斷向量，此外還定義了SYSCALL_VECTOR來表示用於系統調用的中斷向量。如下所示：
/*
* IDT vectors usable for external interrupt sources start
* at 0x20:
*/
#define FIRST_EXTERNAL_VECTOR 0x20
#define SYSCALL_VECTOR 0x80
5．1．2 I386的IDT
i386 CPU的IDT表一共有256項，分別對應每一個中斷向量。每一個表項就是一個中斷描述符，用以描述相對應的中斷向量，中斷向量就是該描述符在IDT中的索引，每一個中斷描述符的大小都是8個字節。根據INTEL的術語，中斷描述符也稱為“門（Gate）”。
中斷描述符有下列4種類型：
（1）任務們（Task Gate）：包含了一個進程的TSS段選擇符。每當中斷信號發生時，它被用來取代當前進程的那個TSS段選擇符。Linux並沒有使用任務們。任務們的格式如下：
（2）中斷門（Interrupt Gate）：中斷門中包含了一個段選擇符和一個中斷處理程序的段內偏移。注意，當I386 CPU穿越一個中斷門進入相應的中斷處理程序時，它會清除eflag寄存器中的IF標志，從而屏蔽接下來可能發生的可屏蔽中斷。
（3）陷阱門（Trap Gate）：與中斷門類似，不同之處在於CPU通過陷阱門轉入中斷處理程序時不會清除IF標志。
（4）調用門（Call Gate）：Linux並沒有使用調用門。
這三種門的格式如圖5－2所示。
5．1．3 中斷控制器8259A
我們都知道，PC機中都使用兩個級聯的8359A PIC（Programmable Interrupt Controller，可編程中斷控制器，簡稱PIC）來管理來自系統外設的中斷信號。每個8259A PIC提供8根IRQ（Interrupt ReQuest，中斷請求，簡稱IRQ）輸入線。在級聯方式中，Master 8259A PIC（第一個PIC）的中斷信號輸入線IR2用於級聯Slave 8259A PIC(第二個PIC)的INT引腳，因此兩個8259A一共可以提供15根可用的IRQ輸入線。如下圖所示：
圖5－3 主、從8259A中斷控制器的級聯
5．1．3．1 8259A PIC的基本原理