1. 概述
中断是计算机系统中的一种重要机制，它允许外部设备打断 CPU 的正常执行流程，以响应各种事件的发生。在 Linux 内核中，中断由中断向量表进行管理。本文将详细介绍 Linux 中断向量表的结构和应用。
2. 中断向量表的结构
中断向量表是一个由中断向量组成的数组，每个中断向量对应一个中断处理程序。在 Linux 内核中，中断向量表通常是一个二维数组。第一维表示中断处理程序的类型（硬件中断或软件中断），第二维表示具体的中断号。
中断向量表的大小是固定的，通常由操作系统预先分配。在 Linux 中，中断向量表的大小为256个条目，其中包括硬件中断、软件中断和异常。
2.1 硬件中断
硬件中断是由外部设备触发的中断，例如键盘输入、鼠标移动等。当外部设备触发中断时，CPU 会从中断向量表中查找相应的中断处理程序，并执行它。
每个硬件中断向量都对应一个设备，设备的驱动程序在注册时会将自己的中断处理程序注册到中断向量表中的相应位置。当硬件中断发生时，CPU 会自动调用中断处理程序，并传递相应的中断参数。
void irq_handler(int irq, void *dev_id) {
// 中断处理程序的代码
}
2.2 软件中断
软件中断是由程序主动触发的中断，通常用于在用户空间和内核空间之间传递信息和调用系统功能。软件中断是通过软中断指令来触发的，触发软中断会导致 CPU 从中断向量表中找到相应的中断处理程序，并执行它。
Linux 内核中有一些固定的软中断号，例如系统调用（INT 0x80）、调度器中断等。除了固定的软中断号外，内核还可以将额外的软中断号分配给用户程序使用。用户程序可以使用系统调用接口触发软中断，从而调用内核提供的功能。
void software_interrupt(void) {
// 中断处理程序的代码
}
2.3 异常
异常是指在程序执行过程中出现的错误或异常情况，例如除零错误、页错误等。当异常发生时，CPU 会从中断向量表中查找相应的异常处理程序，并执行它。
异常处理程序的主要任务是处理异常并恢复程序的正常执行。例如，在页错误发生时，异常处理程序会将缺失的页面从磁盘中读取到内存，并更新页表，使程序可以继续执行。
void exception_handler(void) {
// 异常处理程序的代码
}
3. 中断向量表的应用
3.1 中断处理程序的注册
在 Linux 内核中，中断处理程序的注册是通过调用相应的函数来完成的。例如，注册一个硬件中断处理程序的函数是 request_irq，它接收中断号、中断处理程序和设备标识符作为参数。
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
unsigned long flags, const char *name, void *dev)
在注册中断处理程序时，需要指定中断号。中断号的选择取决于所使用的设备和操作系统的限制。另外，还可以指定中断处理程序的标志、名称和设备标识符。
3.2 中断处理程序的执行
当中断发生时，CPU 会自动调用相应的中断处理程序，并传递相应的中断参数。中断处理程序会根据中断参数执行相应的操作，例如读取设备数据、更新系统状态等。
在中断处理程序中，需要注意一些特殊的要求。首先，中断处理程序应尽可能地快速执行，以避免影响系统的实时性。其次，中断处理程序应处理所有可能的错误情况，包括中断参数的检查和错误处理。
3.3 中断的屏蔽和嵌套
在多核系统中，可能会发生多个中断并发地发生。为了避免中断处理程序的竞争条件，内核提供了中断的屏蔽机制。当一个中断处理程序正在执行时，当前中断被屏蔽，不会有其他中断干扰。
此外，中断还可以嵌套。当一个中断正在处理时，如果发生了更高优先级的中断，当前中断会被挂起，高优先级中断的处理程序会立即执行。当高优先级中断处理完后，才会恢复之前的中断。
4. 小结
中断向量表是 Linux 内核中管理中断的关键数据结构。它提供了一种机制，使外部设备能够打断 CPU 的正常执行流程，以响应各种事件的发生。本文详细介绍了中断向量表的结构和应用，包括硬件中断、软件中断和异常的处理过程。
了解中断向量表的工作原理对于理解和开发 Linux 内核驱动程序非常重要。通过合理注册和编写中断处理程序，可以提高系统的实时性和响应速度。同时，还需要注意中断的屏蔽和嵌套机制，以保证中断处理程序的正确执行。