中断系统
复习
- 中央处理器：CPU 由运算器、寄存器和控制器构成，循环取指译码执行
- 计算机总线：总线让 CPU、存储器与外设共享一组通信线路
- 输入输出系统：I/O 接口连接外设，支持查询、中断和 DMA
TL;DR
- 中断让 CPU 暂停当前程序，先处理突然到来的事件
- 离开前要保存现场，处理后再恢复
- 中断向量帮助 CPU 找到对应的处理程序
正文
你正读到一本好书的精彩处，门铃突然响了。去开门并不难，真正重要的是：回来以后，你还能准确找到刚才读到的那一行。
CPU 处理中断，也是同样的道理。
离开之前先做书签
设备发出中断请求后，CPU 通常先把手头这条指令执行完，再依次做这些事：
- 保存下一条指令地址和必要的状态
- 根据中断编号找到对应处理程序
- 执行处理程序，例如读取键盘送来的字符
- 恢复刚才保存的状态
- 从原程序的下一条指令继续
被保存的 PC、状态寄存器以及必要的通用寄存器，合起来叫作现场（context）。它就像你夹在书里的那枚书签。
为什么要保存这么多？因为如果现场保存不完整，回来后程序就可能拿着被中断处理改过的数据继续算——它会以为一切照旧，实际却早已面目全非。
该跳到哪里
键盘、时钟和硬盘需要不同的处理办法。机器用一张中断向量表，把中断编号映射到对应的处理程序入口。收到编号后查表，再把入口地址写入 PC。
你会发现，这和普通跳转并没有根本区别，只是目标地址不再由指令直接给出，而是由事件和向量表共同决定。同一个跳转机制，换了一种“决定去哪儿”的方式。
同时有人敲门
多个中断可能同时到来，因此需要优先级：更紧急的请求先处理，较低优先级的暂时等待。
有些系统还允许高优先级中断打断正在执行的低优先级处理程序，这叫作中断嵌套。但它是有代价的——每多嵌套一层，就要多保存一层现场。能打断别人固然灵活，但每一层都要记得自己从哪儿来。
时钟本身也能定期产生中断，让系统周期性地重新获得控制权。后面讲操作系统时，我们会看到它如何借此在多个程序之间轮流安排时间。
现在，最后一块拼图已经放好。下一章，我们把一段程序装进内存，看整台机器第一次从头跑到尾。
思考题 1
如果中断处理程序修改了寄存器 R1，却没有在返回前恢复它，原程序可能出现什么问题？
思考题 2
中断处理程序为什么通常要保存“现场”，而不是简单地把 PC 改回来就完事？
小结
知识点
- 中断处理包含保存现场、处理与恢复
- 中断向量表给出处理程序入口
- 优先级解决多个请求的先后
参考资料
- Wikipedia(zh)：中断：处理器响应外部事件的方式
- Wikipedia(zh)：中断向量表：把中断编号映射到处理程序入口
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
原程序会以为 R1 仍保存着中断前的值，实际读到的却是中断处理留下的新值。后续计算可能出错，而且这个错误看起来像凭空发生。这正是现场必须按约定保存和恢复的原因。
思考题 2
因为程序继续运行，不仅依赖 PC，还依赖寄存器里保存的中间数据。只恢复 PC，等于只找回了书签的位置，却发现书页被人偷偷改过——读起来还是错的。所以现场要把“走到哪”和“手里正拿着什么”一起保住。
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设计师 | 南国微雪