I/O中斷原理
目錄
- I/O中斷原理
- 前言
- 什麼是中斷
- 中斷型別
- 硬體中斷
- 軟體中斷
- I/O中斷流程
- 無中斷
- 有中斷
- 中斷處理
- 相關文獻
I/O中斷原理
前言
在Windows核心原理-同步IO與非同步IO和《高效能網路通訊原理》兩篇文章中，都出現了中斷這兩個字。本篇文章會對中斷操作的原理進行說明。
什麼是中斷
中斷指當出現需要時，CPU暫時停止當前程式的執行轉而執行處理新情況的程式和執行過程。即在程式執行過程中，系統出現了一個必須由CPU立即處理的情況，此時，CPU暫時中止程式的執行轉而處理這個新的情況的過程就叫做中斷。
我們知道CPU是按指令順序進行執行的，作業系統每過大約15ms會發生一次執行緒排程(Windows下)，根據執行緒優先順序先排程優先順序高的執行緒。但是實際情況並沒有那麼簡單，若我們接收到一個網路請求，如果要等當前執行緒執行完或15ms執行緒排程之後才去處理網路請求，網絡卡緩衝區很有可能會被佔滿，此時就發生了丟包。
中斷型別
中斷分為硬體中斷和軟體中斷。
硬體中斷
硬體中斷即為硬體發出的中斷訊號，如I/O中斷和硬體失效中斷。
- I/O中斷：由I/O控制器產生，用於傳送訊號通知操作完成等訊號。
- 硬體失效中斷：如掉電或儲存器奇偶錯之類的故障。
軟體中斷
軟體中斷即為非硬體發出的中斷訊號，如程式中斷和時鐘中斷。
- 程式中斷：一些指令產生的異常(如算數移除、除數為0等)。
時鐘中斷：由處理器內部的計時器產生，允許作業系統以一定規程執行函式。
我們提到了作業系統每過大約15ms會進行一次執行緒排程，就是利用時鐘中斷來實現的。
I/O中斷流程
本篇文章還是主要解釋前幾篇文章提到的I/O中斷進行解釋說明，因此僅以I/O中斷舉例，但是中斷的原理和流程都是相似的。
I/O中斷通過中斷處理器執行中斷操作。當外部裝置的I/O模組準備好時，它會發送給CPU一箇中斷訊號，CPU則會“立即”做出響應，暫停當前程式的處理去服務該I/O裝置的程式。
也可能不是立即，比如同時存在多箇中斷，則根據實際的中斷演算法決定，是按中斷先後順序執行中斷操作，還是按中斷優先順序執行。
I/O中斷時硬體中斷，需要硬體支援來接收中斷訊號。
無中斷
為了更好的說明中斷帶來的效能提升，我們先描述一下沒有中斷時程式如何處理I/O操作。
- 當我們程式需要從硬碟讀取一個檔案時，會先檢查核心快取中是否有資料，若沒有資料，則執行實際I/O操作。在I/O操作執行時，我們的使用者執行緒將阻塞等待資料從硬碟寫到記憶體中。對於使用者來說執行緒是被阻塞的。
- 在實際的I/O操作過程中，若沒有中斷操作，CPU會不斷輪詢檢查I/O操作是否完成，若I/O操作沒有完成則繼續排程其他執行緒，過一會兒再來檢查。若操作完成，CPU將執行緒加入到執行緒就緒佇列中並恢復執行緒上下文資訊。
- 執行緒處於就緒佇列，可以被作業系統排程從而繼續執行讀操作，此時會將資料從作業系統核心快取讀取到使用者快取中。
有中斷
- 當我們程式需要從硬碟讀取一個檔案時，會先檢查核心快取中是否有資料，若沒有資料，則執行實際I/O操作。在I/O操作執行時，我們的使用者執行緒將阻塞等待資料從硬碟寫到記憶體中。對於使用者來說執行緒是被阻塞的。
- 在實際的I/O操作過程中，CPU向I/O模組(DMA控制器)傳送讀指令，然後就去排程其他執行緒。
- 當I/O模組(DMA控制器)I/O執行完成後，會產生中斷訊號在通知CPU，CPU將執行緒加入到執行緒就緒佇列中並恢復執行緒上下文資訊。
- 執行緒處於就緒佇列，可以被作業系統排程從而繼續執行讀操作，此時會將資料從作業系統核心快取讀取到使用者快取中。
由此可知，有中斷還是沒有中斷對於使用者來說執行緒都是阻塞的，對於作業系統核心來說通過中斷方式主動通知CPU的方式減少了執行緒輪詢判斷，提高了執行緒執行效率。
當然，為了進一步提高執行緒利用率，此時我們可以通過非同步操作API執行I/O操作。
比如.Net4.5的async和await關鍵字，當呼叫非同步操作後，API內部儲存了相關狀態機資訊(回撥資訊)，執行緒繼續執行其他操作，當作業系統核心讀取資料完成時，執行緒呼叫回撥方法恢復到await的後續操作。整個過程中執行緒不會因為阻塞帶來導致效能損失。
中斷處理
當I/O裝置完成一次I/O操作時，發生以下事件：
- 開始I/O操作前，處理器將當前處理的相關資訊如指令地址、必要的狀態資訊等儲存到棧中，使得中斷後可以恢復執行。
- I/O操作完成後，裝置給處理器傳送一箇中斷訊號。
- 處理器響應中斷訊號。
- 處理器對中斷訊號進行判斷，若存在未響應的中斷，則給產生中斷訊號的裝置傳送確認訊號，確認訊號使得裝置取消它的中斷訊號。
- 處理器將控制前轉移給中斷程式中，中斷程式從棧中獲取之前儲存的資訊，使得能繼續執行I/O完成時的後續操作。
- 處理器將中斷程式入口地址載入到程式計數器中，使得處理器能繼續執行下一個指令週期。
相關文獻
- 《作業系統-精髓與設計原理》
- 時鐘中斷是rt-thread的執行緒排程器的驅動力
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出處：https://www.cnblogs.com/Jack-Blog/p/12038716.html
作者：傑哥很忙
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