Linux中的中断和异常

中断和异常的初步介绍

在逻辑电路的层面，中断被定义为一个信号，用来改变处理器的指令执行顺序。这里的中断被分为同步中断和异步中断：

• 同步中断：由处理器自发产生，它一定发生在一条指令执行完之后
• 异步中断：有其它设备按照处理器的时钟随机产生

既然发生了中断，就说明需要对应的中断处理程序==中断处理程序不是进程，它更应该被视为一种CPU对硬件事件的响应机制，是一种软硬件结合的“执行路径抽象”==，出于性能的需求，中断处理程序必须满足：简短，高效且不可阻塞的。其中中断有不同的种类，所有的中断都用无符号八位数来标识，这个标识被英特尔称为向量。

上面所说的是学习用的通俗理解，在现代的Linux内核中，中断真正的处理往往采用：中断上下文 + 延迟处理机制 方式的结合，来高效的处理中断。在本文的最后会给出现代Linux内核处理的详细解释和介绍。

注意，在上面的中断是包括了同步中断和异步中断，后面，在 intel开发手册中，将同步中断定义为异常，异步中断则定义为中断。中断具体指代什么，要在具体的语境中去理解。

异常

异常是CPU在执行指令的时候，探测到的一个反常的问题。异常可以分为三种：故障(fault)，陷阱(trap)，错误(error)。

异常处理

异常处理的流程可以概括为：程序执行中触发异常 → CPU 根据中断向量跳转 → 自动保存部分上下文并切换到内核态 → 执行trap入口 → 调用C语言trap处理函数 → 执行具体异常处理逻辑 → 恢复上下文 → 返回用户态。

在执行期间，如果发生除零错误、page fault、非法指令或系统调用等情况，CPU会立即响应异常。对于系统调用这种人为触发的trap，也会走统一的异常处理路径。

触发异常后，CPU会自动保存部分关键上下文（如PC、CS、EFLAGS），并切换到内核栈和内核态，再根据中断向量表跳转到对应trap handler入口。

trap handler汇编代码会进一步保存所有通用寄存器内容，并最终调用高级语言编写的trap处理函数（如Linux中的 do_page_fault等）。处理函数会根据异常类型决定是修复（如分配页框）还是终止进程。

处理完成后，内核恢复用户态上下文，并使用 iret/sysret等指令返回用户态，继续程序执行（如果未被终止）。

中断

中断则是由外部的硬件设备所引起的，中断分为两种，可屏蔽中断和不可屏蔽中断。其中，IO设备所产生的中断都是可屏蔽中断。

中断处理

每个能发出中断请求的硬件设备都会通过一条 IRQ 线连接到 PIC（可编程中断控制器）。PIC 监视这些 IRQ 线，当检测到有中断信号时，会将对应的中断向量编号准备好，并通过 INTR 线向 CPU 发送中断请求。

CPU 收到 INTR 信号后，会发出 INTA（中断确认）信号，PIC 会将中断向量号发送到数据总线。CPU 读取该向量号后，用它去中断描述符表（IDT）中查找并跳转到对应的中断服务程序。

后续处理中断的流程（切换内核态、保存上下文、执行 handler、恢复现场）与异常处理类似，但中断源于外设，异常则是程序执行错误引发。

==注：这里的PIC是单一CPU上的概念，现在更多使用的是APIC，即高级可编程中断控制器。即APIC接收所有的IRQ线，然后通过ICC（中断控制通信总线）来在SMP（Symmetric Multi-Processing，对称多处理器）下和其他的CPU通讯==

值得注意的是，并不是所有的IRQ和硬件设备都是一一对应的，IRQ的数量是有限的，会出现一个IRQ映射到多个可以发出中断请求的硬件设备的情况。例如IRQ43既可以分配给声卡，也可以分配给USB端口。而处理这种情况主要有两种方式：

• IRQ共享：每个硬件设备被抽象为一个 IRS（中断请求源），当中断控制器检测到某个 IRQ 线（或 MSI 中断）触发时，它会将对应的中断号传递给 CPU。内核通过中断号在 irq_desc[] 中查找到对应的中断处理程序列表，然后调用已注册的 ISR（中断服务例程）。如果该中断号上注册了多个共享 ISR，则会遍历这些 ISR，以确定哪个设备实际触发了中断。
• IRQ动态分配：引入了虚拟IRQ的概念，一条IRQ线可能在最后时刻才会与一个设备驱动程序相关联。通过动态分配的方式，使得IRQ可以挂载更多的硬件设备，并且支持热插拔。

中断处理程序和异常处理程序的嵌套

首先要明确的一点是，在进行中断处理程序或者异常处理程序的时候，CPU是处于中断上下文的，这个时候禁用了调度器，所以无法发生进程切换。关于中断处理程序和异常处理程序的嵌套：

• 中断处理程序可以被更高级的中断处理程序打断
• 异常处理程序可以被中断处理程序打断，反之则不可以

Linux中的中断处理

在 Linux 内核中，中断处理被设计成一个分层体系，除了硬件触发的硬中断（硬中断处理程序），即中断上下文中的上半部分处理，还包括延迟执行的软中断（SoftIRQ） 和 tasklet，它们被广泛用于中断上下文中的下半部分处理。

部分	名称	执行位置	特点
上半部分	硬中断处理程序（ISR）	中断上下文	响应快，执行短，不可阻塞
下半部分	软中断（SoftIRQ）、tasklet、工作队列（workqueue）	进程上下文或中断上下文（非抢占）	延迟处理，功能丰富

在 Linux 中，中断处理被划分为“上半部分”和“下半部分”两层结构，其中上半部分（即中断服务例程，ISR）主要负责快速响应中断事件，通常只执行一些必要且简短的操作。具体而言，它的核心职责包括：清除中断标志位以避免中断抖动、保存设备状态（如读入寄存器值）、以及调度下半部分处理逻辑的入口函数（如tasklet_schedule()或 raise_softirq()）。
由于 ISR 运行在中断上下文中，不允许阻塞或进行复杂处理，Linux 要求其尽可能快速返回，以避免中断屏蔽时间过长、影响系统整体响应性能。

因此，真正的业务逻辑处理——例如网络数据包解析、磁盘数据传输、状态更新等，通常放在下半部分执行。这些延迟执行的处理可以通过软中断（softirq）、tasklet 或工作队列（workqueue）实现，分别适用于不同的实时性、可阻塞性和并发需求。这样设计既保证了中断响应的实时性，也提升了系统的并发处理能力和整体调度灵活性。