操作系统：Interupt, Exception, Syscall

参考: 中国科学院大学 2025年秋《高级操作系统教程》课件

中断 Interrupt

中断控制器

不同 ISA 采用的中断控制器不同:

• x86:
• ARM:
• RISC-V: PLIC（Platform-level Interrupt Controller）

中断控制器需要考虑的问题:

1. 如何指定不同中断的优先级
   • 低优先级中断处理中，出现了高优先级的中断
   • 嵌套中断
2. 中断交给谁处理
3. 如何与软件协同

中断控制器的主要功能：将中断分发给不同的核（对称或非对称）进行处理

• 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

中断处理

1. 中断处理没有进程上下文
   • 中断（和异常相比）和具体的某条指令无关
   • 和中断时正在跑的进程、用户程序无关
2. 中断处理程序不能睡眠
3. 不能调用schedule()调度
4. 不能释放信号或调用可能睡眠的操作
5. 不能和用户地址空间交换数据

Linux 中断处理

• 在中断处理中做尽量少的事
• 推迟非关键行为
• 结构：Top half & Bottom half
  • Top half: 做最少的工作后返回
  • Bottom half：推迟处理 (softirq, tasklets, 工作队列，内核线程)

Top Half

• 包括最小的公共行为:
  • 保存寄存器, 屏蔽其他中断
  • 恢复寄存器, 返回原来场景
• 最重要的任务：调用合适的由硬件驱动提供的中断处理 handler
  • 现代处理器中，多个 I/O 设备共享一个 IRQ 和中断向量
  • 多个 ISR (interrupt service routines) 可以结合在一个向量上
  • 调用每个设备对应该 IRQ 的 ISR
• 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

Bottom Half：延迟完成

• 提供一些推迟完成任务的机制
  • softirqs
  • tasklets (建立在 softirqs 之上)
  • 工作队列
  • 内核线程
• 这些工作可以被中断

系统调用 Syscall

1. 传统：陷入内核态，内核处理之后再返回用户态
   • 频繁的用户态和内核态的切换 (性能较差)
2. Virtual Dynamic Shared Object, VDSO
   • 目前主要应用于一些调用比较频繁的系统调用，如 gettimeofday()
   • VDSO 由内核定义，编译时作为内核的一部分: linux-vdso.so.1
   • 用户态运行时将 gettimeofday 的代码加载到与应用共享的内存页 vDSO ,用户态对于该页只读，只有内核态才可以修改
3. FLEX-SC (Flexible System Call Scheduling with Exception-Less System Calls, OSDI’10)
   • 提出一种新的 syscall 机制: 引入 system call page ，由 user & kernel 共享
     • User threads 可以将系统调用的请求 push 到 system call page
     • kernel threads 会从system call page poll system call 请求
     • 将系统调用的调用和执行解耦，可分布到不同的 CPU 核
   • push: 将系统调用打包成固定的数据结构写入 syscall page
   • poll: 填充 syscall page 中系统调用的返回值
4. 消息式系统调用: 类似于微内核中的 IPC
   • GenterOS
   • XOS