【现代操作系统】3. 中断、异常、系统调用

news2024/11/14 20:38:26

通用概念

中断（Interrupt）
- 外部硬件设备所产生的信号
- 异步：产生原因和当前执行指令无关，如程序被磁盘读打断
异常（Exception）
- 软件的程序执行而产生的事件
- 包括系统调用
- 同步：产生和当前执行或试图执行的指令相关
系统调用
- 是一种特殊的异常
- 操作系统里面要主动实现的异常
- 用户程序请求操作系统提供服务

不同体系结构术语的对应关系

在这里插入图片描述

Aarch64的中断（异步异常）

重置（reset）
- 最高级别的异常，用以执行代码初始化CPU核心
- 由系统首次上电或控制软件、Watchdog等触发
中断（Interrupt）
- CPU外部的信号触发，打断当前执行
- 如计时器中断、键盘中断等

Aarch的（同步）异常

中止（Abort）
- 失败的指令获取或数据访问
- 如访问不可读的内存地址等
异常产生指令（Exception generating Instruments）
- SVC：用户程序->操作系统
- HVC：客户用户程序->虚拟机管理器
- SMC： Normal World->Secure World

X86-64术语

中断（设备产生、异步）
- 可屏蔽：设备产生的信号，通过中断控制器与处理器相连，可被暂时屏蔽（如键盘、网络事件）
- 不可屏蔽：一些关键硬件的崩溃（如内存校验错误）
异常（软件产生、同步）
- 错误（Fault）：如缺页异常（可恢复）、段错误（不可恢复）等
- 陷阱（Trap）：无需恢复，如断点（int3）、系统调用（int 80）
- 中止（Abort）：严重的错误，不可恢复（机器检查）

中断的产生

中断控制器

ARM SOC的结构，里面可以看到很重要的一块GIC（通用中断控制器）

GIC连出很多根线，和各种设备进行了连接，同时也有一根线和CPU（core）进行了连接
GIC在这里相当于是中断源的处理，它把各个设备发出的中断汇集到GIC这里，再有GIC决定这个中断是发给哪个CPU还是外设

中断控制器需要考虑的问题
- 如何指定不同中断的优先级
- 中断交给谁处理
- 如何与软件协同

AArch64中断的分类

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不同ARM GIC的实现

早期的ARM中断控制器
- 厂商制定模型
- 向量中断控制器VIC
  - ARM提出
  - 放在AMBA告诉总线上
  - 32种非向量中断（不同中断相同的处理入口）
  - 16种向量中断（不同中断不同的处理入口）
- 现在->GIC：通用中断控制器
  - 中断类型变多，将中断分发给不同的核（对称或非对称）进行处理
  - 主要功能
    - 分发：管理所有中断、决定优先级、路由
    - CPU接口：给每个CPU核有对应的接口

GIC中断来源分类

GIC有很多版本，这里以下图这种举例
在这里插入图片描述

SPI：共享外围中断
- 可以被路由到一个或多个核，找到可用的核进行处理
- Distributor可配置路由
- 如UART中断（可以配置由哪个核处理）
- 中断ID：32~1019
PPI：私有外围中断
- 对每个CPU都有一个PPI，所以可以指定核处理（是私有的，每个CPU都可以有自己的PPI）
- Distributor可配置路由
- 如WatchingDog -> A5 core
- 中断ID：16~31
SGI：软件产生中断
- 核间通信（如多处理器的情况下，一个CPU往另一个CPU发一个跨处理器的中断）
- 中断ID：0~15
- NT：虽然是由软件发出的，但也是异步的，因为发给另外一个处理器B后，处理器B什么时候处理它和中断处理的过程是有关系的

GIC的路由配置——以ChCore启用timer为例

#define GICD_ISENABLER （KBASE+0xE82B1100）  //定义GIC enable对应的地址：Kernel base+偏移

void plat_interrupt_init(void)		// 进行Interrupt的初始化
{
	u32 cpuid = smp_get_cpu_id();
	if(cpuid == 0)
		gicv2_dist_init();
	
	gicv2_cpu_init();
	
	/* 启用timer */
	put32(GICD_ISENABLER, 0x08000000);		
	// 往中断控制器中写一个enable的值（这里实际上是某一个位置成了1）
	timer_init();
}

使用MMIO，设置GIC中寄存器，启用timer

put32对应指令：

BEGIN_FUNC(put32)
	str w1, [x0]
	ret
END_FUNC(put32)

GIC中断信息获取

如：如何handle irq
这里对应已经从中断向量表里跳到了这个函数

void plat_handle_irq(void)
{
	u32 cpuid = 0;
	unsigned int irq_src, irq;

	cpuid = smp_get_cpu_id();
	irq_src = get32(core_irq_source[cpuid]);  //从中断向量表里获取信息

	irq = 1 << ctzl(irq_src);
	switch(irq){
	case INT_SRC_TIMER3:
		handle_timer_irq();
		break;
	default:
		kinfo("Unsupported IRQ %d\n", irq);
	}
	return;
}

使用MMIO，从GIC中的寄存器里获得中断信息

内存映射输入输出

Memory-Mapped I/O，MMIO，是一种常见的CPU控制和访问设备的方式
原理：把输入输出设备和物理内存放到同一块地址空间，为设备内部的内存和寄存器也分配相应的地址
当CPU通过MMIO方式为一个设备分配了地址之后，CPU可以使用和访问物理内存一样的指令（ldr和str）来访问设备的地址；设备通过总线监听CPU分配给自己的地址，然后完成CPU访问请求
Aarch64将MMIO作为CPU访问设备的重要方式

轮询与中断

->CPU获取有输入事件发生
通过MMIO方式获取树莓派上的异步收发传输器（UART）为例，OS获取输入的可能方式：

轮询：CPU不断通过MMIO查看UART是否有输入
中断：UART收到输入后，打断CPU正常执行，CPU再从UART获取输入

中断机制除了使得设备能主动通知CPU外，还包括让一个CPU核心去通知另一个CPU核心

MMIO使CPU可以主动访问设备，中断使设备能主动通知CPU->CPU与设备之间交互的重要方式

中断处理不能做太多事情

做太多事情会使处理效率非常低
因为中断在处理时CPU是不能做其他事情的，且其他任务也在等着这个中断的处理

解决方案
- 将几个中断一起处理，减少整体中断占用时间（如网卡，一次中断将多个数据一起读上来）
- delay，推迟执行（但是要注意delay什么，尤其是硬件，随意delay会出问题）（比如delay了一个中断，时间有点长的话会丢失一部分数据，用户明显会感受到卡顿）

案例：Linux的中断处理理念

在中断处理中做尽量少的事情
推迟非关键行为
结构：Top half & Bottom half
- Top half：做最少得工作后返回（如在中断处理里面，收到中断后可能将相关的数据先放置，标记信号已经收到，先回复信号发出者信号已经收到了）（比如到达目的地后先报平安，再去找酒店）
- Bottom half：推迟处理（softirq， tasklets，工作队列，内核线程）
Top Half：马上做
- 最小的、公共行为
  - 保存寄存器，屏蔽其他中断
  - 恢复寄存器，返回原来场景
- 最重要：调用合适的由硬件驱动提供的中断处理handler
- 因为中断被屏蔽，所以不要做太多事情（时间、空间）
- 使用将请求放入队列，或者设置标志位将其他处理推迟到Bottom half