What is Interrupt?
Introduction
我們可以將 Interrupt 想成 device 版的 signal，signal 是用來讓 OS 通知 Applications 特定事件的到來，而 Interrupt（廣義）是讓 CPU 暫停當前執行流、轉交控制給 OS 的機制；Hardware Interrupt 是其中由外部 device 觸發的那一類
Why we need interrupt?
沒有 interrupt 的話，OS 必須用 busy-waiting 不斷去讀硬體暫存器確認事件是否發生，這會浪費大量 CPU cycle。Interrupt 讓硬體在「真的有事」時才主動通知 OS，CPU 平時可以做其他事
Types of Interrupt
Hardware Interrupt
由外部裝置發出的信號，像是鍵盤按下、計時器到期、網卡收到封包
Asynchronous
CPU 無法預知此種 interrupt 的到來
Maskable vs. Nonmaskable
- Maskable：CPU 可以暫時將其遮蔽（mask off），通常在執行不能被打斷的關鍵指令序列時使用（e.g. 更新 kernel 資料結構）
- Nonmaskable (NMI)：不能被遮蔽，保留給嚴重事件（e.g. 不可修復的記憶體錯誤），CPU 無論如何都必須立即處理
Exception
CPU 偵測到錯誤或特殊狀況，像是 divide by zero, segmentation fault 之類的
Synchronous
因為這種 Exception 是因為某一條指令而產生
Software Interrupt / Trap
程式碼在 user space 做不到一些事情，這時候就需要執行一條特殊指令（syscall）來讓 CPU 切入 kernel mode (ring 0) 幫你做完後再轉回 user mode 並交還控制權給你
How does Interrupt works?
Prerequisite (boot time): Initialize Interrupt Vector Table (IVT)
OS 在開機時將各個 ISR 所在的記憶體位置寫到 IVT 上，讓 CPU 之後知道去哪裡找 ISR
Step 1: Device Raises an IRQ signal
Device 偵測到 event（像是鍵盤被按下）後會透過 interrupt-request line（一條硬體訊號線）送 IRQ (Interrupt Request) 給 PIC (Programmable Interrupt Controller)，他會將對應的優先級和 Interrupt number 送給 CPU
Step 2: CPU detects the interrupt
CPU 會在完成每個 instruction 後檢查有沒有 IRQ
Step 3: CPU saves current state to the kernel stack
CPU 會先將 program counter, registers 資訊存到 kernel stack (per-CPU interrupt stack)，這樣之後要回來執行原來的任務才知道之前執行到哪裡
Step 4: CPU queries the IVT for the ISR address
CPU 去 IVT 看看這個 Interrupt number 對應的 ISR 被存在哪裡
Step 5: CPU jumps to the ISR and executes the event
CPU 根據 IVT 記錄的記憶體位置跳到 ISR 存放位置並且執行去 handle event（像是去鍵盤讀取輸入之類的）
Step 6: ISR returns via iret
ISR 處理完事情後會呼叫 iret 這個特殊的 instruction 會將 CPU 在 step 3 儲存的 program state 回復過來並且繼續執行原來的任務