中断系统

复习

1. 第三十八章：了解了 CPU 的基本工作原理
2. 第四十章：掌握了总线系统的基础知识
3. 第四十一章：了解了输入输出系统

TL;DR

• 中断让 CPU 不必傻等外设，外设准备好了主动“打断“CPU
• 处理中断需要：保存现场 → 执行中断服务程序 → 恢复现场 → 返回
• 中断有优先级，高优先级可以打断低优先级
• 中断是操作系统进行进程调度、响应外设的基础

正文

傻等的代价

　　第四十一章提到，CPU 和外设打交道有一种“程序查询“方式：CPU 不停地问“好了没？好了没？“

　　这太亏了。外设（比如硬盘）慢得很，CPU 问一次、等半天，宝贵的算力全浪费在等待上。

　　那能不能反过来——外设准备好了，主动来通知 CPU？当然可以。这就是中断（Interrupt）。

什么是中断

　　“中断“就是字面意思：打断 CPU 正在做的事，让它先去处理一件更紧急的事，处理完再回来接着做。

　　生活里到处是中断：你正在写代码（主程序），快递小哥按门铃（中断请求），你下楼取快递（中断服务），回来后接着写代码（返回主程序）。关键是你得记住刚才写到哪一行——这就是“保存现场“。

处理一次中断

　　一次完整的中断处理，大致分这几步：

1. 中断请求：外设拉一根中断信号线，通知 CPU
2. 响应：CPU 执行完当前这条指令，暂停主程序
3. 保存现场：把 PC、状态寄存器等当前状态存起来
4. 执行中断服务程序：跳到外设对应的处理程序，把活干完
5. 恢复现场：把之前存的 PC、状态恢复回去
6. 返回：继续执行被打断的主程序

　　第 4 步“跳到哪个处理程序“，靠一张中断向量表：每种中断对应一个入口地址，CPU 拿到中断号一查表就知道该往哪跳。这和第二十九章的地址译码是一个思路。

优先级与嵌套

　　如果同时来了好几个中断怎么办？这就用到优先级：CPU 先处理优先级高的。

　　更棘手的是，处理中断时可能又来一个更紧急的中断。如果允许它打断当前的中断处理程序，就叫中断嵌套。像医院的急诊分级：正在处理普通病人，突然来了个危重病人，得先抢救危重的。

　　也有的中断“屏蔽不得“，比如系统崩溃类的，必须马上响应，这类叫不可屏蔽中断（NMI）。

中断从哪来

　　按来源分，中断大致有两类：

• 硬件中断：外设或硬件事件触发，比如键盘按下、网卡收到数据、时钟到点
• 软件中断：程序自己触发，比如请求操作系统服务的系统调用、除零异常

　　其中时钟中断特别重要。它每隔固定时间就响一次，操作系统借此“抢回“控制权，给不同程序分配运行时间——这就是进程调度的心跳。没有它，一个死循环程序就能把电脑卡死。

思考题

　　如果 CPU 在处理一个中断时又来了一个新中断，应该怎么处理？把新中断保存起来晚点处理，还是立刻切换过去？两种做法各有什么代价？

小结

知识点

• 中断的作用：让 CPU 不再傻等
• 中断处理的完整流程
• 保存现场与恢复现场
• 中断向量表
• 中断优先级与嵌套
• 硬件中断与软件中断

参考资料

1. Wikipedia(zh)：中断：中断的基本概念
2. Wikipedia(zh)：中断向量表：中断向量表的原理
3. Wikipedia(zh)：实时操作系统：实时系统中的中断处理

思考题答案（仅供参考）

　　取决于新中断的优先级。如果它比当前处理的中断更紧急，就应该立刻切换过去（中断嵌套），代价是现场要一层层保存，稍微复杂；如果优先级不高于当前，就先把请求挂起（记录在等待队列里），等当前中断处理完再响应，这样简单可靠，但紧急事件可能要等一会儿。实时系统尤其要在“及时响应“和“实现简单“之间权衡。

协议

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设计师 | 南国微雪