计算机中断体系一：历史和原理

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中断系统是现代PC的基础架构之一，我们常常能听到很多相关概念：IRQ，PIRQ，PCI Interrupt PIN，MSI，GSI，Vector（中断向量）。这些术语有些是硬件概念，有些是软件概念，他们时常混在一起，让人十分迷惑。本系列希望能通过三篇文章来帮助大家厘清其中的关联和区别，它们分别是历史和原理篇（偏硬件）、软件篇（关于OS和BIOS如何设置和使用中断）和固件篇（BIOS如何根据硬件配置中断和向OS报告中断表）。

历史

当我们在操作电脑时，很多事情在同时发生，磁盘在飞速读写，网络在收发消息，而你也往往开了不少个任务在同时运行。这些能够发生，中断系统扮演了关键角色。在中断系统出现之前，人们（那时都是计算机专家）往往要等上一个任务结束才能进行下一个任务，这在今天是不能想象的。事实上中断系统出现的很早，Intel的传奇中断控制芯片8259在1976年就被用在8085系列产品中。PC在1981年出生时借鉴了这种思想，8259的升级版8259A被用于中断控制，而其统治PC长达近10年，直到486电脑的诞生！

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PIC时代

PIC(Programmable Interrupt Controller)就是我们的8259A，让我们来瞻仰一下它的样子：

其中最重要的管脚是IR0~IR7，也就是能相应8个中断。后期由于中断不足，被扩展为级联的形式，如图：

分为主和从两块8259，这样我们就有了16 -1 = 15个中断源。8259一直工作的很好，中断如果还不够我们还可以通过中断共享或者再多级联几个8259，就可解决问题，直到多CPU的出现。这时候问题出现了，我们的主8259到底连接哪个CPU好呢？这是个大问题。

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APIC来了

80486DX在1990年上市，其引入了SMP的概念，即多CPU（注意不是多核）。Intel为了适应SMP提出APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller，高级中断控制器）的新技术。APIC 由两部分组成，一个称为LAPIC（Local APIC，本地高级中断控制器），一个称为IOAPIC（I/O APCI，I/O 高级中断控制器）。前者位于CPU中，在SMP 平台，每个CPU 都有一个自己的LAPIC（后期多核后，每个逻辑核都有个LAPIC）。后者通常位于外部设备芯片上，例如南桥上。像PIC 一样，连接各个产生中断的设备。而IOAPIC和LAPIC通过APIC Bus连接在一起。如图：

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XAPIC，小小的改进

单独的3根线的APIC bus给系统设计带来了不少困扰，在奔腾4上其被取消而由系统总线代替，其他则区别不大，新的示意图如下：

系统中的IOAPIC可以有很多，在北桥被并入CPU中后，甚至CPU中也有IOAPIC（同时有LAPIC,感觉好方便）。这种架构极具伸缩性，被使用了很多年，直到核战争的爆发。

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X2APIC

核战争，什么鬼？！其实是内核数目的战争。Intel和AMD不断的增加内核的数目，加上SMT（HT）技术，内核数目不断上升。在服务器上，至强CPU往往提供高达40到60个内核，如果是8路服务器，内核总数目可以高达60 × 8 = 480个！即使实际没有这么多内核，虚拟机技术的出现也往往成倍的需要虚拟内核。而唯一标识CPU内核身份的APIC ID在APIC寄存器中却只有8位（其细分为多个域，这里略过），也就是最多可以有255个内核(1个保留做广播用)。APIC不够用了！Intel大手一挥，推出了X2APIC，把APIC ID从8位扩展为32个bit，这下可以支持4G -1 （1个保留做广播用）个逻辑核，你们该满足了吧！顺便将原来略显怪异的MMIO访问方式变成MSR方式（后文详细介绍）。

我们现在的计算机几乎都是用APIC方式处理中断的，我们接下来看看他们是怎么工作的。

原理

CPU在运行目前任务时，当有特别事件发生时，CPU应当暂停正在执行的程序，转向执行处理该事件的子程序；事件处理完毕后，恢复原来的状态，再继续执行原来的程序。这种对这些事件的处理模式，称为程序中断（Interrupt）控制模式，简称中断控制或中断。这种处理紧急事件的服务子程序称为中断子程序。这种引起中断的事件称为中断源。这些事件包括磁盘、键盘等等输入输出设备，异常错误的发生甚至另一个CPU的调用。

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PIC模式

在PIC时代，外部中断源都要连接到8259的IRQ引脚上，8259会通过INTR告诉CPU发生了中断。这时OS或者BIOS的中断控制程序会检查谁发生了中断，从而调用相应的中断相应历程。 其中的细节我们这里就不细述了，其过程大概分为以下几步：

1、一个或多个IR 引脚被触发中断（脉冲或者边缘），若对应的中断没有被屏蔽，8259 拉高INTR 管脚通知CPU 或上一级8259中断发生。

2、CPU 通过INTA 引脚响应8259，表示中断请求收到。8259则将IRR 中具有最高优先级位 清零，并设置ISR 中对应的位。在CPU发出中断查询脉冲后，8259将中断号提交到数据线上。

3、中断号对应的中断向量处理程序被调用，OS或者BIOS中断处理程序开始处理中断，完毕后写EOI并扫尾。

在这样一个周期完毕后，CPU继续处理之前的任务，像什么事也没有发生一样，一般用户甚至感受不到（实际上OS的中断处理例程有严格的时间要求，处理过长会触发watch dog 导致蓝屏）。

古老的PC留下了很多兼容性的问题，很多古老的设备占据了大量中断源，如图：

现在谁还有这么多串口并口呢，还有键盘和FDD？可是为了向前兼容，这些IRQ都被保留而不能做它用，甚至在APIC模式也是这样。向前兼容真是个沉重的包袱！

注意这里中断是有优先级的，IRQ数字越小优先级就越高。

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APIC模式

如前所述，APIC 由两部分组成，一个称为LAPIC（Local APIC，本地高级中断控制器），一个称为IOAPIC（I/O APCI，I/O 高级中断控制器）。前者位于CPU中，在SMP 平台，每个内核都有一个自己的LAPIC。后者通常位于外部设备芯片上，例如南桥上。典型的连接关系如下图：

每个LAPIC都有自己唯一的APIC ID，每个IOAPIC也有自己唯一的ID。和PIC模式显著的区别是连接关系不再是硬件连线而是通过message。IOAPIC内部有个PRT（Programmable Redirection Table）表，里面的Destination Field标识了中断的目的地。在Physical模式下，含有目标APIC ID（Logical模式略）。在中断发生时，IOAPIC收到中断，会将中断转化为message放入系统总线，而CPU中只有APIC ID和Destination Field域中一致的LAPIC才会处理这条中断。用于处理来自IOAPIC 的中断消息的LAPIC内容就更多了，但最重要的寄存器还是IRR、ISR 以及EOI。其流程和PIC类似，这里就不在详述了。OS如何处理我们会在下一篇中介绍。

值得一提的是，为了保证向前兼容性，Intel在1997年发布的MultiProcessor Specification（MP spec）中要求APIC提供PIC兼容模式或Virtual Wire Mode（虚拟连线模式）。PIC模式如下图：

虚线代表了中断传递的过程，注意其中的IOAPIC被旁路了，而一个8259A的模拟硬件（通常是南桥芯片内置）则起到作用，它连接了CPU的INTR引脚。这样会对主板电路设计造成很多麻烦，而虚拟连线模式则更加常见，其如下图：

IOAPIC会将8259A模拟硬件的信号放入ICC Bus（后是系统总线），由LAPIC处理交给BSP，处理效果和原来一样而不要增加连线。

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MSI

普通的PCI设备支持四个INTx，MSI（Message Signaled Interrupts）在1999年随着PCI 2.2规范被引入，在PCI 3.0中提出了MSI-X。MSI支持32个中断，而MSI-X将其扩展到了2048个。当一个PCI设备想发送中断时，它会向其PCI配置空间Capability结构中的Message Address的地址（通常是0xFEExxxxx）写Message Data数据，消息会被该设备连接的root complex转给LAPIC(多CPU时，有可能要通过QPI)，而不需要通过IOAPIC中转。Message Address中和IOAPIC类似，也有目标APIC ID，而message Data中同样有Vector的数目。这样从电气机械的角度，MSI减少了对interrupt pin个数的需求。从而使得连接变得更简单，而且据研究，其相比INTx,有时能提高1/3的效能。

微软在Vista后全面支持MSI和MSI-x，而Linux也早已经支持MSI。

其他

还有些杂项这里要特别说明一下

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APIC ID

APIC ID并一定从0开始，数字也不一定连续，在任何地方的代码里都不能有这种假设。APIC ID可以被BIOS重置，但几乎没有BIOS这样做。

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IOAPIC ID

随着北桥被移入了CPU ，一些北桥的除了内存控制器外其他的功能也被引入CPU。其中最重要的是PCIe的root complex和一个至少x16的root port用于连接显卡。如果CPU内置的显卡，也会连接到这个root port上，所以Intel平台除了在南桥外，在CPU内也有IOAPIC。在一个4路的志强服务器中就会有4 + 1 = 5个IOAPIC, 每个IOAPIC有24个入口，就可以支持24 * 5 = 120个中断入口。

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LAPIC

除了IOAPIC能发送中断消息外，内核的LAPIC也可以通过发送IPI（Inter-Processor Interrupts）的方式发送中断给其他的内核。这种方式是OS和BIOS调度CPU内核的基本方式。

尾声

在下一篇中将介绍IRQ，PIRQ，PCI Interrupt PIN，MSI，GSI，Vector（中断向量）的关系和谁负责设置它们，敬请期待。这里有几个思考问题，大家可以查查资料：

1.      那么对于多CPU的情况下，初始的APIC ID是谁来决定的呢？注意CPU可以互换。

2.      IOAPIC都要有不同的ID，这些ID是谁给设置上去的呢？