如果处理器没有产生中断，系统软件必须做什么？

Question

与中断有关的问题

如果处理器没有能力服务中断，那么系统软件需要做什么来确保每一次键盘击键都被检测到，每一次鼠标移动都被注册，以太网(网络)数据被正确处理，文件被成功地加载到内存中？

Answer 1

如果处理器没有能力服务中断，那么系统软件需要做什么来确保每一次键盘击键被检测到，每一次鼠标移动都被注册，以太网(网络)数据被正确处理，文件被成功加载到内存中？

有两种方法可以做IO。

异步IO

执行IO的好方法是CPU要求设备执行IO，然后让CPU执行其他工作(包括运行其他程序)，直到出现IRQ通知OS IO请求完成为止。对于具有(例如)4个CPU和20个设备的计算机；这允许所有4个CPU和所有20个设备同时进行有用的工作。这是每个现代操作系统所使用的方法(包括现代的“单任务”操作系统)。

在这种情况下，如果没有IRQ，您必须经常检查IO请求的完成情况(例如，在任何地方插入check_for_IO_completion()函数调用)，其中“多长时间”是“设备性能”(延迟、完成IO请求和知道完成IO请求并能够启动下一个请求的操作系统之间可以传递多少时间)和"CPU性能“(在所有check_for_IO_completion()调用上浪费多少CPU时间)。当然(特别是如果存在任何安全性-例如，“内核空间”与“用户空间”隔离)没有很好的妥协--不管您牺牲了多少性能，您都不能期望性能与使用IRQ时的性能相同。

同步IO

执行IO的坏方法是CPU要求设备执行IO，然后不断轮询该设备，直到IO完成为止。对于一台拥有(例如)4个CPU和20个设备的计算机来说，永远不可能有超过4件事情同时发生(这4个CPU中的每一个都在做有用的工作或等待IO请求完成)，而且您总是有至少20块硬件(设备或CPU)被浪费/无法完成有用的工作。

这是固件使用的方法(例如，BIOS和UEFI)，因为它更简单，而且固件只用于启动操作系统(这主要涉及“从磁盘加载内核”，并且允许许多硬件同时工作并不能带来太大好处)，而且固件在那之后被丢弃/忽略。也有一些可怕的旧操作系统使用这种方法(例如，MS)。

对于这种方法，IRQ并没有被真正使用，所以如果没有IRQ，也就无关紧要了。

注意:有几种不需要软件来传输数据的设备(例如键盘、鼠标、网卡接收而不发送数据包)。没有IRQ和同步IO；这类设备需要足够大的缓冲区来存储数据，直到软件请求数据和/或以某种方式处理缓冲区溢出导致数据丢失(例如TCP/IP重试)。

Answer 2

在所有代码(包括用户空间)中，协同多任务处理( yield() )调用轮询，使操作系统能够频繁地使用CPU，从而可以轮询硬件.。

如果只允许为中断提供服务，那么仍然可以使用硬件机器来处理来自设备的信号，并创建一个需要服务的优先级队列。因此，与其循环遍历每个驱动程序并让它轮询自己的硬件，轮询还可以通过一个I/O读取来检查是否需要服务。也许CPU会支持内核中的队列，而不是中断，所以检查需要服务的挂起的东西甚至不需要关闭内核，只需要几个周期。

这将稍微减少一些可怕的开销，但它仍然需要系统中的所有代码都非常频繁地使用yield()，否则HW的服务将远远落后。

例如，在一个循环中有一个无限循环错误，您期望它足够短，如果没有yield()，那么除了重置按钮之外，您的整个系统将无法恢复。(经典的MacOS是这样的，只不过当这种情况发生时，你仍然可以移动鼠标。)

这个系统的HW应该设计成不需要太多的CPU交互，例如给磁盘控制器一个带有DMA地址的命令缓冲区。

您可以将鼠标控制器与视频卡集成，以便在不涉及CPU的情况下进行硬件光标移动。

NIC将有一个硬件接收队列，在CPU对其进行检查期间存储多个传入以太网帧的空间。(我认为现实生活中的NIC是这样工作的，至少是好的。在高流量情况下，真正的NIC驱动程序实际上可以/确实切换到轮询模式，而不是让HW为每个传入的数据包引发中断，以减少CPU开销。特别适用于10G /100 G的小帧以太网。但是，轮询是由100 is的计时器中断或其他什么来完成的，而不仅仅是使用产率()。

和文件已成功加载到内存中？

磁盘控制器不知道文件，只是块设备的扇区。但是是的，磁盘读取请求的报告可以通过轮询来完成。

或者在低端系统上，磁盘I/O可以用编程的I/O来完成，CPU必须分别读取每个字节或单词并将其存储到内存中。( x86上的IDE磁盘控制器过去是这样工作的，使用DMA作为一种选择，但是有些控制器有错误的DMA。所以Linux通常默认为PIO，您可以使用hdparm来启用DMA。虽然中断仍然存在，但我认为，可能是为了让CPU知道数据何时准备好在突发时从磁盘的缓冲区复制。您不想让CPU旋转几毫秒，等待头部寻找，然后才能开始传输。但是在具有固态存储的系统上，如SSD / Flash，搜索时间要小得多，因此您可以简化它，并阻止整个系统启动I/O，直到扇区传输完成为止。)