清详细描述一下什么是软中断,什么是硬中断?

彼岸花纹身2023-02-17  24

软中断:

1、编程异常通常叫做软中断

2、软中断是通讯进程之间用来模拟硬中断的 一种信号通讯方式。

3、 中断源发中断请求或软中断信号后,CPU或接收进程在适当的时机自动进行中断处理或完成软中断信号对应的功能

4、软中断是软件实现的中断,也就是程序运行时其他程序对它的中断而硬中断是硬件实现的中断,是程序运行时设备对它的中断。

硬中断:

1、 硬中断是由外部事件引起的因此具有随机性和突发性;软中断是执行中断指令产生的,无面外部施加中断请求信号,因此中断的发生不是随机的而是由程序安排好的。

2、硬中断的中断响应周期,CPU需要发中断回合信号(NMI不需要),软中断的中断响应周期,CPU不需发中断回合信号。

3、硬中断的中断号是由中断控制器提供的(NMI硬中断中断号系统指定为02H);软中断的中断号由指令直接给出,无需使用中断控制器。

4、硬中断是可屏蔽的(NMI硬中断不可屏蔽),软中断不可屏蔽。

区别:

1、软中断发生的时间是由程序控制的,而硬中断发生的时间是随机的

2、软中断是由程序调用发生的,而硬中断是由外设引发的

3、硬件中断处理程序要确保它能快速地完成它的任务,这样程序执行时才不会等待较长时间‍

先来看看什么是中断?在计算机中,中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制,操作系统收到硬件的中断请求,会打断正在执行的进程,然后调用内核中的中断处理程序来响应请求。

这样的解释可能过于学术了,容易云里雾里,我就举个生活中取外卖的例子。

小林中午搬完砖,肚子饿了,点了份白切鸡外卖,这次我带闪了,没有被某团大数据大熟。虽然平台上会显示配送进度,但是我也不能一直傻傻地盯着呀,时间很宝贵,当然得去干别的事情,等外卖到了配送员会通过「电话」通知我,电话响了,我就会停下手中地事情,去拿外卖。

这里的打电话,其实就是对应计算机里的中断,没接到电话的时候,我可以做其他的事情,只有接到了电话,也就是发生中断,我才会停下当前的事情,去进行另一个事情,也就是拿外卖。

从这个例子,我们可以知道,中断是一种异步的事件处理机制,可以提高系统的并发处理能力。

操作系统收到了中断请求,会打断其他进程的运行,所以 中断请求的响应程序,也就是中断处理程序,要尽可能快的执行完,这样可以减少对正常进程运行调度地影响。

而且,中断处理程序在响应中断时,可能还会「临时关闭中断」,这意味着,如果当前中断处理程序没有执行完之前,系统中其他的中断请求都无法被响应,也就说中断有可能会丢失,所以中断处理程序要短且快。

还是回到外卖的例子,小林到了晚上又点起了外卖,这次为了犒劳自己,共点了两份外卖,一份小龙虾和一份奶茶,并且是由不同地配送员来配送,那么问题来了,当第一份外卖送到时,配送员给我打了长长的电话,说了一些杂七杂八的事情,比如给个好评等等,但如果这时另一位配送员也想给我打电话。

很明显,这时第二位配送员因为我在通话中(相当于关闭了中断响应),自然就无法打通我的电话,他可能尝试了几次后就走掉了(相当于丢失了一次中断)。

前面我们也提到了,中断请求的处理程序应该要短且快,这样才能减少对正常进程运行调度地影响,而且中断处理程序可能会暂时关闭中断,这时如果中断处理程序执行时间过长,可能在还未执行完中断处理程序前,会丢失当前其他设备的中断请求。

那 Linux 系统 为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题,将中断过程分成了两个阶段,分别是「上半部和下半部分」

前面的外卖例子,由于第一个配送员长时间跟我通话,则导致第二位配送员无法拨通我的电话,其实当我接到第一位配送员的电话,可以告诉配送员说我现在下楼,剩下的事情,等我们见面再说(上半部),然后就可以挂断电话,到楼下后,在拿外卖,以及跟配送员说其他的事情(下半部)。

这样,第一位配送员就不会占用我手机太多时间,当第二位配送员正好过来时,会有很大几率拨通我的电话。

再举一个计算机中的例子,常见的网卡接收网络包的例子。

网卡收到网络包后,会通过 硬件中断 通知内核有新的数据到了,于是内核就会调用对应的中断处理程序来响应该事件,这个事件的处理也是会分成上半部和下半部。

上部分要做到快速处理,所以只要把网卡的数据读到内存中,然后更新一下硬件寄存器的状态,比如把状态更新为表示数据已经读到内存中的状态值。

接着,内核会触发一个 软中断 ,把一些处理比较耗时且复杂的事情,交给「软中断处理程序」去做,也就是中断的下半部,其主要是需要从内存中找到网络数据,再按照网络协议栈,对网络数据进行逐层解析和处理,最后把数据送给应用程序。

所以,中断处理程序的上部分和下半部可以理解为:

还有一个区别,硬中断(上半部)是会打断 CPU 正在执行的任务,然后立即执行中断处理程序,而软中断(下半部)是以内核线程的方式执行,并且每一个 CPU 都对应一个软中断内核线程,名字通常为「ksoftirqd/CPU 编号」,比如 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字是 ksoftirqd/0

不过,软中断不只是包括硬件设备中断处理程序的下半部,一些内核自定义事件也属于软中断,比如内核调度等、RCU 锁(内核里常用的一种锁)等。

在 Linux 系统里,我们可以通过查看 /proc/softirqs 的 内容来知晓「软中断」的运行情况,以及 /proc/interrupts 的 内容来知晓「硬中断」的运行情况。

接下来,就来简单的解析下 /proc/softirqs 文件的内容,在我服务器上查看到的文件内容如下:

你可以看到,每一个 CPU 都有自己对应的不同类型软中断的 累计运行次数 ,有 3 点需要注意下。

第一点,要注意第一列的内容,它是代表着软中断的类型,在我的系统里,软中断包括了 10 个类型,分别对应不同的工作类型,比如 NET_RX 表示网络接收中断,NET_TX 表示网络发送中断、TIMER 表示定时中断、RCU 表示 RCU 锁中断、SCHED 表示内核调度中断。

第二点,要注意同一种类型的软中断在不同 CPU 的分布情况,正常情况下,同一种中断在不同 CPU 上的累计次数相差不多,比如我的系统里,NET_RX 在 CPU0 、CPU1、CPU2、CPU3 上的中断次数基本是同一个数量级,相差不多。

第三点,这些数值是系统运行以来的累计中断次数,数值的大小没什么参考意义,但是系统的 中断次数的变化速率 才是我们要关注的,我们可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令查看中断次数的变化速率。

前面提到过,软中断是以内核线程的方式执行的,我们可以用 ps 命令可以查看到,下面这个就是在我的服务器上查到软中断内核线程的结果:

可以发现,内核线程的名字外面都有有中括号,这说明 ps 无法获取它们的命令行参数,所以一般来说,名字在中括号里到,都可以认为是内核线程。

而且,你可以看到有 4 个 ksoftirqd 内核线程,这是因为我这台服务器的 CPU 是 4 核心的,每个 CPU 核心都对应着一个内核线程。

要想知道当前的系统的软中断情况,我们可以使用 top 命令查看,下面是一台服务器上的 top 的数据:

上图中的黄色部分 si,就是 CPU 在软中断上的使用率,而且可以发现,每个 CPU 使用率都不高,两个 CPU 的使用率虽然只有 3% 和 4% 左右,但是都是用在软中断上了。

另外,也可以看到 CPU 使用率最高的进程也是软中断 ksoftirqd,因此可以认为此时系统的开销主要来源于软中断。

如果要知道是哪种软中断类型导致的,我们可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令查看每个软中断类型的中断次数的变化速率。

一般对于网络 I/O 比较高的 Web 服务器,NET_RX 网络接收中断的变化速率相比其他中断类型快很多。

如果发现 NET_RX 网络接收中断次数的变化速率过快,接下里就可以使用 sar -n DEV 查看网卡的网络包接收速率情况,然后分析是哪个网卡有大量的网络包进来。

接着,在通过 tcpdump 抓包,分析这些包的来源,如果是非法的地址,可以考虑加防火墙,如果是正常流量,则要考虑硬件升级等。

为了避免由于中断处理程序执行时间过长,而影响正常进程的调度,Linux 将中断处理程序分为上半部和下半部:

Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型,可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的累计中断次数情况,如果要实时查看中断次数的变化率,可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令。

每一个 CPU 都有各自的软中断内核线程,我们还可以用 ps 命令来查看内核线程,一般名字在中括号里面到,都认为是内核线程。

如果在 top 命令发现,CPU 在软中断上的使用率比较高,而且 CPU 使用率最高的进程也是软中断 ksoftirqd 的时候,这种一般可以认为系统的开销被软中断占据了。

这时我们就可以分析是哪种软中断类型导致的,一般来说都是因为网络接收软中断导致的,如果是的话,可以用 sar 命令查看是哪个网卡的有大量的网络包接收,再用 tcpdump 抓网络包,做进一步分析该网络包的源头是不是非法地址,如果是就需要考虑防火墙增加规则,如果不是,则考虑硬件升级等。

一、指代不同

1、硬件中断:指向量中断,即中断源的识别标志,可用来存放中断服务程序的入口地址或跳转到中断服务程序的入口地址。

2、软件中断:指软中断,是利用硬件中断的概念,用软件方式进行模拟,实现宏观上的异步执行效果。

二、中断方式不同

1、硬件中断:每个中断向量分配4个连续的字节单元,两个高字节单元存放入口的段地址CS,两个低字节单元存放入口的段内偏移量IP。

2、软件中断:上半部在屏蔽中断的上下文中运行,用于完成关键性的处理动作;而下半部则相对来说并不是非常紧急的,通常还是比较耗时的,因此由系统自行安排运行时机,不在中断服务上下文中执行。

三、特点不同

1、硬件中断:在AVR或ARM微处理器中,中断向量的大小也是4个字节,但其中存放的不是中断程服务程序的入口地址,而是可执行的代码。

2、软件中断:是linux系统原“底半处理”的升级,在原有的基础上发展的新的处理方式,以适应多cpu 、多线程的软中断处理。

参考资料来源:百度百科-软中断

参考资料来源:百度百科-硬件中断


转载请注明原文地址:https://juke.outofmemory.cn/read/2977496.html

最新回复(0)