摸水了一周，準(zhǔn)備在家里好好敲敲代碼，趕趕稿子，正當(dāng)我專心輸出的時(shí)候，被老婆打斷了。

娃拉臭了，趕緊過來！語氣中帶著一絲絲我害怕的味道。

怎么辦？沒辦法只有過去換尿布咯，三兩下，搞定！

之后，我繼續(xù)開始肝，但是心想，要是娃再哭鬧了，老婆是不是會(huì)罵人了？

想著不行，我得去看看，于是我每隔幾分鐘就去瞅瞅，媳婦看到我這么用心，笑開了花！

是的，從中我也悟出了中斷與輪詢的味道，今天我們來看看這兩者的內(nèi)涵與區(qū)別。

中斷

在嵌入式開發(fā)過程中，使用到處理器的時(shí)候，中斷是我們必不可少的元素。

中斷的基本概念

中斷是一種硬件機(jī)制，在CPU在正常運(yùn)行程序的過程中，中斷可以隨時(shí)發(fā)生。

由預(yù)選安排或各種隨機(jī)的內(nèi)外部事件，一般稱為中斷源，發(fā)出中斷請(qǐng)求，使CPU中斷正在運(yùn)行的程序，并通過將控制權(quán)傳遞給服務(wù)設(shè)備的中斷處理程序來響應(yīng)，這個(gè)過程稱為程序中斷。

中斷的本質(zhì)

一般認(rèn)為中斷是外部設(shè)備向處理器發(fā)起的請(qǐng)求事件，這還不夠徹底，中斷可以說是是處理器對(duì)外開放的實(shí)時(shí)受控接口。

比如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，如果沒有中斷，計(jì)算機(jī)所有的程序都是定論的，我們事先就可以知道其運(yùn)行的全部過程，無法交互，相當(dāng)于一個(gè)加速器。

有中斷后，外部服務(wù)程序可能打斷當(dāng)前任務(wù)。

CPU“正在執(zhí)行的程序”與“隨時(shí)可能發(fā)生的服務(wù)”，二者形成了異步關(guān)系，由人實(shí)時(shí)控制的中斷輸入，是無法預(yù)測(cè)的。

中斷可以看作是一種“硬件輪詢”。即本質(zhì)上，CPU會(huì)通過讀取外部信號(hào)來判斷CPU的下一步狀態(tài)。

中斷處理方式

設(shè)備管理中，高速的處理器和低速的輸入輸出設(shè)備相對(duì)來說，會(huì)降低整體效率，為了減少程序直接控制方式中CPU的等待時(shí)間，提高系統(tǒng)的并行工作程度，采用中斷處理方式是很有必要的。

在I/O設(shè)備中斷方式下，CPU與I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸步驟如下：

1. 在某個(gè)進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)出指令啟動(dòng)輸入輸出設(shè)備，準(zhǔn)備要處理的數(shù)據(jù)；

2. 在進(jìn)程發(fā)出指令啟動(dòng)設(shè)備之后，該進(jìn)程放棄處理器，等待相關(guān)I/O操作完成。此時(shí)，進(jìn)程調(diào)度程序會(huì)調(diào)度其他就緒進(jìn)程使用處理器。

3. 當(dāng)I/O操作完成時(shí)，輸入輸出設(shè)備控制器通過中斷請(qǐng)求線向處理器發(fā)出中斷信號(hào)，處理器收到中斷信號(hào)之后，轉(zhuǎn)向預(yù)先設(shè)計(jì)好的中斷處理程序，對(duì)數(shù)據(jù)傳送工作進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4. 得到了數(shù)據(jù)的進(jìn)程，轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。在隨后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序會(huì)選中該進(jìn)程繼續(xù)工作。

CPU是怎么知道中斷發(fā)生的

舉個(gè)例子，比如說鍵盤，按下鍵盤Enter鍵時(shí)，cpu是怎么樣知道我按下了Enter鍵而不是Shift鍵呢？

首先說明cpu不會(huì)知道你按下的哪個(gè)鍵，cpu只會(huì)按著機(jī)器指令的執(zhí)行順序，一條一條的執(zhí)行機(jī)器指令。

cpu只知道按設(shè)計(jì)好的邏輯執(zhí)行指令，不管這個(gè)指令是干嘛的。

知道你按下哪個(gè)鍵的是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是根據(jù)中斷控制器以及相應(yīng)的寄存器的狀態(tài)判斷是不是中斷。

所以當(dāng)你按下一個(gè)鍵，這個(gè)鍵的地址馬上被寫入RAM中，同時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)，CPU獲取中斷信號(hào)，就會(huì)去執(zhí)行中斷程序。

發(fā)生中斷時(shí)CPU怎么知道程序的地址？

中斷產(chǎn)生時(shí)，程序需要跳轉(zhuǎn)到某個(gè)地址去運(yùn)行該段的程序，那么CPU是不是要讀整個(gè)內(nèi)存然后去找中斷向量表呢？

不是的，不需要去讀取整個(gè)內(nèi)存，而是通過映射的關(guān)系。

例如在x86架構(gòu)中，中斷向量表的位置保存在IDTR寄存器里，CPU通過這個(gè)寄存器就能找到中斷向量表，然后根據(jù)中斷號(hào)就可以找到具體的中斷入口了。

CPU檢測(cè)到中斷信號(hào)時(shí)，怎么知道是發(fā)給哪個(gè)進(jìn)程的？

這個(gè)問題是我在知乎上看到的，也是極大激發(fā)我的興趣，對(duì)我們理解中斷也有極大的好處。

首先我們需要知道：中斷并不直接把數(shù)據(jù)送給用戶進(jìn)程的，中斷通知的是驅(qū)動(dòng)程序，而不關(guān)心當(dāng)前正在執(zhí)行的是哪個(gè)進(jìn)程。

而進(jìn)程操作都是一樣的：保存現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)入內(nèi)核，執(zhí)行需要的操作，返回中斷前的現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)進(jìn)程執(zhí)行。

一個(gè)系統(tǒng)的的中斷系統(tǒng)通常是類似這樣的組成，包括設(shè)備的中斷、中斷控制器、CPU的中斷

設(shè)備的中斷

指設(shè)備要產(chǎn)生一個(gè)事件來通知CPU，事件的產(chǎn)生的方法有很多。對(duì)設(shè)備“關(guān)中斷”，指的是讓這個(gè)設(shè)備停止發(fā)出中斷信號(hào)，如果中斷控制器已經(jīng)獲得這個(gè)中斷信號(hào)，那么這個(gè)中斷信號(hào)還是會(huì)報(bào)到CPU上的。

中斷控制器

指對(duì)多個(gè)設(shè)備的中斷進(jìn)行采樣，排隊(duì)，分發(fā)的機(jī)制。對(duì)中斷控制器說：關(guān)中斷，是讓中斷控制器不要給CPU（或者上級(jí)）發(fā)送中斷信號(hào)了，設(shè)備報(bào)不報(bào)信號(hào)上來，這些信號(hào)是否被排隊(duì)，那是另一個(gè)問題。

CPU的中斷

指CPU核上有一條中斷線，當(dāng)這條線加上合適的電平或者信號(hào)，CPU核就會(huì)從當(dāng)前的執(zhí)行上下文中，直接跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序中執(zhí)行。在CPU的角度上關(guān)中斷，就是不要執(zhí)行“跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序”這個(gè)動(dòng)作。

中斷方式的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

I/O設(shè)備中斷方式使處理器的利用率顯著提高；

支持多道程序和I/O設(shè)備的并行操作，提高了效率。

缺點(diǎn)

各種各樣的輸入輸出設(shè)備通過中斷處理方式進(jìn)行并行操作，使中斷次數(shù)增加，會(huì)造成CPU無法響應(yīng)中斷；

如果在緩沖區(qū)裝滿數(shù)據(jù)之后發(fā)生中斷。那么在數(shù)據(jù)傳送過程中，發(fā)生中斷的機(jī)會(huì)較多，將耗去大量的CPU處理時(shí)間。

輪詢

什么是輪詢

輪詢是一種CPU決策如何提供周邊設(shè)備服務(wù)的方式。

在輪詢過程中，由CPU定時(shí)發(fā)出詢問，依序詢問每一個(gè)周邊設(shè)備是否需要其服務(wù)。

每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)指示命令就緒的位，指示該設(shè)備的狀態(tài)。

當(dāng)此狀態(tài)就緒即給予服務(wù)，服務(wù)結(jié)束后再問下一個(gè)周邊，接著不斷周而復(fù)始。

輪詢方式

I/O設(shè)備的程序輪詢是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備的一種管理方式。它定時(shí)對(duì)各種設(shè)備輪流詢問一遍有無處理要求。

輪流詢問之后，有要求的，則加以處理。

在處理I/O設(shè)備的要求之后，處理機(jī)返回繼續(xù)工作。

輪詢的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

在一些應(yīng)用中可以增強(qiáng)了程序的實(shí)時(shí)性...

缺點(diǎn)

能處理的輸入輸出設(shè)備的數(shù)量也是有一定限度的。

程序輪詢占用CPU的處理時(shí)間，效率較低。

中斷和輪詢之間的區(qū)別

1. 中斷時(shí)，設(shè)備會(huì)通知CPU引起注意；而在輪詢中，CPU會(huì)穩(wěn)定地檢查設(shè)備是否需要注意。

2. 中斷不是協(xié)議，而是一種硬件機(jī)制；輪詢反之。

3. 在中斷中，該設(shè)備由中斷處理程序提供服務(wù)；輪詢時(shí)，該設(shè)備由CPU維修。

4. 中斷可以隨時(shí)發(fā)生；輪詢時(shí)，CPU會(huì)以固定的間隔穩(wěn)定地對(duì)設(shè)備進(jìn)行投票。

5. 在中斷中，中斷請(qǐng)求線用作指示設(shè)備需要維修的指示；在輪詢時(shí)，命令就緒位用作指示，表明設(shè)備需要維修。

6. 在中斷中，一旦任何設(shè)備將其中斷，處理器就會(huì)受到干擾；在輪詢中，處理器通過重復(fù)檢查每個(gè)設(shè)備的命令就緒位來浪費(fèi)無數(shù)的處理器周期。

巨人的肩膀

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