Linux性能分析--中断

中断请求（IRQ，Interrupt Request）是由硬件设备发起的一种信号，用于告诉 CPU 有事件需要处理。系统中的各种硬件设备（如 CPU、内存、网络接口卡、硬盘、USB 设备等）都会通过中断请求与 CPU 进行通信。当硬件设备需要 CPU 的帮助时，它们会生成中断信号，这样 CPU 就可以暂停当前执行的任务，转而去处理硬件事件。IRQ 可以看作是一种机制，使得硬件可以异步地向 CPU 通知发生了某些需要处理的事件，而不需要 CPU 去不断地轮询这些硬件设备。

中断产生的常见情况

1. I/O 操作完成 当硬件设备（如磁盘、网络卡、串口等）完成了 I/O 操作，通常会向 CPU 发出中断请求。例如，当硬盘读取完数据后，磁盘控制器会产生一个中断，通知 CPU 数据已准备好，可以进行后续处理。
2. 硬件错误或异常 硬件发生故障时（如内存错误、硬盘故障、CPU 错误等），硬件会通过中断将错误信息传递给 CPU。例如，当 CPU 检测到非法操作（如访问未分配的内存）时，它会通过触发一个硬件异常中断（如 SIGSEGV）来通知操作系统。
3. 定时器中断 在许多嵌入式系统和操作系统中，定时器是一个常见的中断源。例如，操作系统的内核定期通过定时器中断来进行任务调度，确保任务按时执行。这些定时器中断通常用于进程的时间片轮转、实时操作系统的任务调度等。
4. 外部硬件事件 外部硬件设备（如传感器、鼠标、键盘、打印机等）也可以生成 IRQ。例如，当你按下键盘上的键时，键盘会发出一个中断请求，通知 CPU 处理输入事件。
5. 网络设备 网络接口卡（NIC）在接收到数据包时，通常会通过中断通知 CPU 进行数据处理。网络中断通常会触发处理网络协议栈的中断服务程序，进而进行数据包的处理。
6. 用户输入 当用户通过键盘、鼠标或其他输入设备进行操作时，输入设备会产生中断请求，通知 CPU 进行处理。比如，当你按下一个键时，键盘硬件会通过中断请求向操作系统发送输入事件。
7. DMA（直接内存访问）完成 当 DMA 控制器完成了内存到内存的直接数据传输时，它会发出中断通知 CPU。DMA 可以在不占用 CPU 的情况下将数据从一个内存位置传输到另一个内存位置，完成后会通过中断通知 CPU。
8. 硬件计数器 一些硬件设备（如计时器、硬件计数器等）可能会定期或在特定条件下触发中断。例如，周期性中断可以由硬件计数器或时钟产生，通知操作系统进行时钟信号处理。
9. USB 设备 USB 设备插入或数据传输完成时，主控制器会向 CPU 发送中断信号，通知系统进行处理。例如，当你插入一个 USB 设备时，主控制器会触发一个中断通知 CPU，操作系统会加载相应的驱动并初始化设备。
10. 系统调用 虽然系统调用通常不是由硬件直接触发，但一些系统调用，如 ioctl 或 read，可能会触发与硬件交互的中断。例如，系统调用可能会请求硬件设备完成某个操作，而硬件在完成该操作时会产生中断。

IRQ 的类型

1. 硬件中断（IRQ） 这些是由硬件设备（如硬盘、网络接口卡、声卡、USB 设备等）发起的中断。硬件中断由设备控制器触发，系统会将控制权从当前进程转移到硬件中断处理程序。
2. 软件中断（Software Interrupts） 软件中断并不是由硬件设备触发的，而是通过软件指令（如 int 指令）产生的。它们通常用于操作系统内核中的系统调用，允许用户程序与操作系统交互。

中断处理

当一个硬件中断发生时，CPU 会暂停当前执行的程序，保存状态（如寄存器值），并跳转到一个预定的中断处理程序（也叫中断服务例程或 ISR）。中断处理程序会根据中断的类型执行相应的操作，处理完成后，CPU 恢复之前的状态，继续执行被中断的程序。

在多核系统中，IRQ 可能会被分配到不同的 CPU 核心上进行处理，以避免单一 CPU 核心承受过重的负载。操作系统通常使用 irqbalance 服务来在不同的核心间动态分配中断。

总结

IRQ（中断请求）是硬件设备向 CPU 发出的通知信号，表示某些事件需要 CPU 的干预。中断是操作系统高效响应外部事件的关键机制，可以显著提高系统的响应性和性能。硬件中断和软件中断在不同场景下发挥作用，管理和优化中断的处理可以帮助提高系统的稳定性和性能。