I/O中断原理

目录

• I/O中断原理
  • 前言
  • 什么是中断
  • 中断类型
    • 硬件中断
    • 软件中断
  • I/O中断流程
    • 无中断
    • 有中断
  • 中断处理
  • 相关文献

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I/O中断原理

前言

在Windows内核原理-同步IO与异步IO和《高性能网络通信原理》两篇文章中，都出现了中断这两个字。本篇文章会对中断操做的原理进行说明。

什么是中断

中断指当出现须要时，CPU暂时中止当前程序的执行转而执行处理新状况的程序和执行过程。即在程序运行过程当中，系统出现了一个必须由CPU当即处理的状况，此时，CPU暂时停止程序的执行转而处理这个新的状况的过程就叫作中断。

咱们知道CPU是按指令顺序进行执行的，操做系统每过大约15ms会发生一次线程调度(Windows下)，根据线程优先级先调度优先级高的线程。可是实际状况并无那么简单，若咱们接收到一个网络请求，若是要等当前线程执行完或15ms线程调度以后才去处理网络请求，网卡缓冲区颇有可能会被占满，此时就发生了丢包。

中断类型

中断分为硬件中断和软件中断。

硬件中断

硬件中断即为硬件发出的中断信号，如I/O中断和硬件失效中断。

• I/O中断：由I/O控制器产生，用于发送信号通知操做完成等信号。
• 硬件失效中断：如掉电或存储器奇偶错之类的故障。

软件中断

软件中断即为非硬件发出的中断信号，如程序中断和时钟中断。

• 程序中断：一些指令产生的异常(如算数移除、除数为0等)。

• 时钟中断：由处理器内部的计时器产生，容许操做系统以必定规程执行函数。

  咱们提到了操做系统每过大约15ms会进行一次线程调度，就是利用时钟中断来实现的。

I/O中断流程

本篇文章仍是主要解释前几篇文章提到的I/O中断进行解释说明，所以仅以I/O中断举例，可是中断的原理和流程都是类似的。

I/O中断经过中断处理器执行中断操做。当外部设备的I/O模块准备好时，它会发送给CPU一个中断信号，CPU则会“当即”作出响应，暂停当前程序的处理去服务该I/O设备的程序。

也可能不是当即，好比同时存在多个中断，则根据实际的中断算法决定，是按中断前后顺序执行中断操做，仍是按中断优先级执行。
I/O中断时硬件中断，须要硬件支持来接收中断信号。

无中断

为了更好的说明中断带来的性能提高，咱们先描述一下没有中断时程序如何处理I/O操做。

• 当咱们程序须要从硬盘读取一个文件时，会先检查内核缓存中是否有数据，若没有数据，则执行实际I/O操做。在I/O操做执行时，咱们的用户线程将阻塞等待数据从硬盘写到内存中。对于用户来讲线程是被阻塞的。
• 在实际的I/O操做过程当中，若没有中断操做，CPU会不断轮询检查I/O操做是否完成，若I/O操做没有完成则继续调度其余线程，过一下子再来检查。若操做完成，CPU将线程加入到线程就绪队列中并恢复线程上下文信息。
• 线程处于就绪队列，能够被操做系统调度从而继续执行读操做，此时会将数据从操做系统内核缓存读取到用户缓存中。

有中断

• 当咱们程序须要从硬盘读取一个文件时，会先检查内核缓存中是否有数据，若没有数据，则执行实际I/O操做。在I/O操做执行时，咱们的用户线程将阻塞等待数据从硬盘写到内存中。对于用户来讲线程是被阻塞的。
• 在实际的I/O操做过程当中，CPU向I/O模块(DMA控制器)发送读指令，而后就去调度其余线程。
• 当I/O模块(DMA控制器)I/O执行完成后，会产生中断信号在通知CPU，CPU将线程加入到线程就绪队列中并恢复线程上下文信息。
• 线程处于就绪队列，能够被操做系统调度从而继续执行读操做，此时会将数据从操做系统内核缓存读取到用户缓存中。

由此可知，有中断仍是没有中断对于用户来讲线程都是阻塞的，对于操做系统内核来讲经过中断方式主动通知CPU的方式减小了线程轮询判断，提升了线程执行效率。
固然，为了进一步提升线程利用率，此时咱们能够经过异步操做API执行I/O操做。
好比.Net4.5的async和await关键字，当调用异步操做后，API内部保存了相关状态机信息(回调信息)，线程继续执行其余操做，当操做系统内核读取数据完成时，线程调用回调方法恢复到await的后续操做。整个过程当中线程不会由于阻塞带来致使性能损失。

中断处理

当I/O设备完成一次I/O操做时，发生如下事件：

• 开始I/O操做前，处理器将当前处理的相关信息如指令地址、必要的状态信息等保存到栈中，使得中断后能够恢复执行。
• I/O操做完成后，设备给处理器发送一个中断信号。
• 处理器响应中断信号。
• 处理器对中断信号进行判断，若存在未响应的中断，则给产生中断信号的设备发送确认信号，确认信号使得设备取消它的中断信号。
• 处理器将控制前转移给中断程序中，中断程序从栈中获取以前保存的信息，使得能继续执行I/O完成时的后续操做。
• 处理器将中断程序入口地址载入到程序计数器中，使得处理器能继续执行下一个指令周期。

相关文献

1. 《操做系统-精髓与设计原理》
2. 时钟中断是rt-thread的线程调度器的驱动力

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出处：http://www.javashuo.com/article/p-mtesadfz-bx.html 做者：杰哥很忙 本文使用「CC BY 4.0」创做共享协议。欢迎转载，请在明显位置给出出处及连接。