【操作系统】软中断vs硬中断

在操作系统中，中断（Interrupt） 是 CPU 响应外部事件的重要机制，分为 硬中断（Hardware Interrupt） 和 软中断（Software Interrupt）。它们的核心区别在于 触发方式 和 处理机制。

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1. 硬中断（Hardware Interrupt）

定义

由 硬件设备（如键盘、网卡、磁盘）触发，通知 CPU 有紧急事件需要处理。

特点

• 触发方式：硬件设备通过 中断控制器（如 8259A、APIC） 向 CPU 发送电信号。
• 实时性：必须 立即响应，否则可能丢失数据（如网卡数据包）。
• 处理流程：
  1. 硬件设备触发中断。
  2. CPU 保存当前上下文（寄存器状态）。
  3. 跳转到 中断处理程序（ISR, Interrupt Service Routine）。
  4. 执行 ISR（通常分为 上半部（Top Half） 和 下半部（Bottom Half））。
  5. 恢复上下文，继续原任务。

示例

• 键盘输入：按下按键时触发硬中断。
• 网卡收包：数据到达时触发硬中断。

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2. 软中断（Software Interrupt）

定义

由 软件主动触发（如系统调用、异常处理），用于请求内核服务或处理异常。

特点

• 触发方式：通过 指令（如 int 0x80、syscall）或 异常（如除零、缺页）。
• 非实时性：可以延迟处理（如内核的 ksoftirqd 线程）。
• 处理流程：
  1. 软件执行中断指令（如 int 0x80）。
  2. CPU 切换到内核态，执行对应的 中断处理程序。
  3. 处理完成后返回用户态。

示例

• 系统调用：如 read()、write() 通过软中断进入内核。
• 异常处理：如除零错误、缺页异常。
• 内核延迟任务：如网络协议栈的 NET_RX_SOFTIRQ。

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3. 核心区别

特性	硬中断	软中断
触发源	硬件设备（如键盘、网卡）	软件（如系统调用、异常）
实时性	必须立即响应	可以延迟处理（如 ksoftirqd）
上下文切换	需要保存硬件上下文	仅需保存软件上下文
处理优先级	最高（抢占 CPU）	较低（由内核调度）
典型应用	设备 I/O（如磁盘、网卡）	系统调用、内核任务

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4. 硬中断的上半部 & 下半部

由于硬中断必须快速响应，Linux 将其分为两部分：

1. 上半部（Top Half）：
   • 在 中断禁用 环境下执行。
   • 只做 最紧急 的工作（如读取网卡数据到缓冲区）。
   • 完成后 触发软中断 处理剩余任务。
2. 下半部（Bottom Half）：
   • 通过 软中断、Tasklet 或 工作队列 实现。
   • 处理 耗时任务（如协议栈解析、磁盘 I/O 完成）。

示例（网卡收包）：

1. 网卡触发硬中断 → 上半部 快速拷贝数据到内存。
2. 上半部触发 NET_RX_SOFTIRQ → 下半部 处理数据包。

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5. 软中断的实现（Linux）

Linux 用 softirq 机制处理延迟任务：

• 预定义软中断类型：

  enum {
      HI_SOFTIRQ=0,      // 高优先级 Tasklet
      TIMER_SOFTIRQ,     // 定时器
      NET_TX_SOFTIRQ,    // 网络发送
      NET_RX_SOFTIRQ,    // 网络接收
      BLOCK_SOFTIRQ,     // 块设备
      IRQ_POLL_SOFTIRQ,  // IRQ 轮询
      SCHED_SOFTIRQ,     // 进程调度
      HRTIMER_SOFTIRQ,   // 高精度定时器
      RCU_SOFTIRQ,       // RCU 锁
      NR_SOFTIRQS        // 软中断总数
  };
  

• 触发方式：

  raise_softirq(NET_RX_SOFTIRQ);  // 触发网络收包软中断
  

• 处理线程：
  • 内核线程 ksoftirqd/0、ksoftirqd/1 … 负责执行软中断。

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6. 总结

• 硬中断：硬件触发，必须立即处理（如设备 I/O）。
• 软中断：软件触发，可延迟处理（如系统调用、内核任务）。
• 实际应用：
  • 网卡收包：硬中断（上半部） + 软中断（下半部）。
  • 系统调用：软中断（如 int 0x80）。
  • 定时器：软中断（TIMER_SOFTIRQ）。

理解二者的区别，有助于优化 系统性能 和 实时性要求 高的程序！ 🚀