在操作系統中，中斷（Interrupt） 是 CPU 響應外部事件的重要機制，分為 硬中斷（Hardware Interrupt） 和 軟中斷（Software Interrupt）。它們的核心區別在于 觸發方式 和 處理機制。

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1. 硬中斷（Hardware Interrupt）

定義

由 硬件設備（如鍵盤、網卡、磁盤）觸發，通知 CPU 有緊急事件需要處理。

特點

• 觸發方式：硬件設備通過 中斷控制器（如 8259A、APIC） 向 CPU 發送電信號。
• 實時性：必須 立即響應，否則可能丟失數據（如網卡數據包）。
• 處理流程：
  1. 硬件設備觸發中斷。
  2. CPU 保存當前上下文（寄存器狀態）。
  3. 跳轉到 中斷處理程序（ISR, Interrupt Service Routine）。
  4. 執行 ISR（通常分為 上半部（Top Half） 和 下半部（Bottom Half））。
  5. 恢復上下文，繼續原任務。

示例

• 鍵盤輸入：按下按鍵時觸發硬中斷。
• 網卡收包：數據到達時觸發硬中斷。

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2. 軟中斷（Software Interrupt）

定義

由 軟件主動觸發（如系統調用、異常處理），用于請求內核服務或處理異常。

特點

• 觸發方式：通過 指令（如 int 0x80、syscall）或 異常（如除零、缺頁）。
• 非實時性：可以延遲處理（如內核的 ksoftirqd 線程）。
• 處理流程：
  1. 軟件執行中斷指令（如 int 0x80）。
  2. CPU 切換到內核態，執行對應的 中斷處理程序。
  3. 處理完成后返回用戶態。

示例

• 系統調用：如 read()、write() 通過軟中斷進入內核。
• 異常處理：如除零錯誤、缺頁異常。
• 內核延遲任務：如網絡協議棧的 NET_RX_SOFTIRQ。

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3. 核心區別

特性	硬中斷	軟中斷
觸發源	硬件設備（如鍵盤、網卡）	軟件（如系統調用、異常）
實時性	必須立即響應	可以延遲處理（如 ksoftirqd）
上下文切換	需要保存硬件上下文	僅需保存軟件上下文
處理優先級	最高（搶占 CPU）	較低（由內核調度）
典型應用	設備 I/O（如磁盤、網卡）	系統調用、內核任務

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4. 硬中斷的上半部 & 下半部

由于硬中斷必須快速響應，Linux 將其分為兩部分：

1. 上半部（Top Half）：
   • 在 中斷禁用 環境下執行。
   • 只做 最緊急 的工作（如讀取網卡數據到緩沖區）。
   • 完成后 觸發軟中斷 處理剩余任務。
2. 下半部（Bottom Half）：
   • 通過 軟中斷、Tasklet 或 工作隊列 實現。
   • 處理 耗時任務（如協議棧解析、磁盤 I/O 完成）。

示例（網卡收包）：

1. 網卡觸發硬中斷 → 上半部 快速拷貝數據到內存。
2. 上半部觸發 NET_RX_SOFTIRQ → 下半部 處理數據包。

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5. 軟中斷的實現（Linux）

Linux 用 softirq 機制處理延遲任務：

• 預定義軟中斷類型：

  enum {HI_SOFTIRQ=0,      // 高優先級 TaskletTIMER_SOFTIRQ,     // 定時器NET_TX_SOFTIRQ,    // 網絡發送NET_RX_SOFTIRQ,    // 網絡接收BLOCK_SOFTIRQ,     // 塊設備IRQ_POLL_SOFTIRQ,  // IRQ 輪詢SCHED_SOFTIRQ,     // 進程調度HRTIMER_SOFTIRQ,   // 高精度定時器RCU_SOFTIRQ,       // RCU 鎖NR_SOFTIRQS        // 軟中斷總數
  };
  

• 觸發方式：

  raise_softirq(NET_RX_SOFTIRQ);  // 觸發網絡收包軟中斷
  

• 處理線程：
  • 內核線程 ksoftirqd/0、ksoftirqd/1 … 負責執行軟中斷。

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6. 總結

• 硬中斷：硬件觸發，必須立即處理（如設備 I/O）。
• 軟中斷：軟件觸發，可延遲處理（如系統調用、內核任務）。
• 實際應用：
  • 網卡收包：硬中斷（上半部） + 軟中斷（下半部）。
  • 系統調用：軟中斷（如 int 0x80）。
  • 定時器：軟中斷（TIMER_SOFTIRQ）。

理解二者的區別，有助于優化 系統性能 和 實時性要求 高的程序！ 🚀