（一）中断系统

1. 基本概念

在计算机执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向这些异常情况或特殊请求的处理；

处理结束后再返回到现行程序的间断处继续执行原程序，这个过程称为中断；

2. 分类

2.1. 按中断源位置

• 内中断：由程序引发（一般是出错）的中断，发生在 CPU 內部；
  • 九大常见内中断：缺页、除 0，越界、存储保护、非法指令、特权指令、运行超时、等待超时、算术运算错误；
• 外中断：外部设备或接口引起的中断，一般分为三种；
  • IO 中断：例如外设（键盘、鼠标等）输入；
  • DMA 中断；
  • 通道中断；

2.2. 按可否屏蔽

• 可屏蔽中断：CPU 可通过指令限制设备发出中断，或 CPU 可选择不响应中断；
  • CPU 关中断：即 CPU 停止响应任何中断请求；
  • 中断屏蔽字：用于区分中断优先级，让 CPU 先响应或只响应优先级高的；
• 不可屏蔽中断：CPU 无法限制也不能选择不响应的中断；
  • 一般是物理上的不可抗力因素，例如电源断电，机械故障等；

3. 目标/问题

3.1. 中断请求标记

• 中断请求标记触发器 INTR：每种类型的中断请求都有 1 位的触发器，用于标记是否请求中断；
• 多个 INTR 组成一个寄存器，称为中断请求标记寄存器；
• 各位 INTR 分散在各个中断源的接口电路中；
• 各位 INTR 集中到 CPU 中断系统内的寄存器；

3.2. 中断排队逻辑

• 硬件排队器：通过硬件逻辑门电路，实现对每个 INTR 优先级的区分；
  • 特点：速度快，但是固化，修改起来困难；
• 软件：通过微程序查询和判断各请求的优先级与处理顺序；
  • 特点：速度较慢，但灵活，易修改；

3.3. 中断响应条件

• 中断允许触发器：与每位 INTR 对应的触发器，表示当前 CPU 是否响应该请求；
• CPU 收到中断请求后，查看对应的允许触发器：
  • 若为 1，则执行完当前指令后响应中断；
  • 若为 0，则不响应此中断；
• 中断隐指令：指 CPU 收到中断请求时，硬件层面自动执行的一系列指令，按顺序包括
  • 1）关中断：保证当前中断不会被影响；
  • 2）保存断点，方便处理完之后返回。包括保存 PC 值，断点压栈，保存寄存器值等；
  • 3）中断服务程序寻址：计算中断服务程序的地址，放到 PC 中；
• 中断服务程序：为处理当前中断而要执行的一系列操作；

3.4. 中断服务程序寻址

• 中断向量法：也称硬件向量法，分为中断向量 + 中断向量表；
  • 中断向量：即中断服务程序的入口地址；
  • 中断向量表：存放一系列中断向量的表，表项可包含中断类型和中断向量；
• 软件查询法：即用程序查询中断入口地址；

3.5. 中断服务程序

1. 保护现场，包括
   • 保存程序断点 PC，由隐指令完成；
   • 保存寄存器内容：一般由中断服务程序完成；
2. 执行中断服务程序；
3. 可能会触发其他中断，执行其他服务程序；
4. 恢复现场，一般是中断服务程序完成；
5. 开中断，即重新允许响应中断请求；
6. 中断返回；

3.6. 多重中断

• 概念：处理中断时，又发生了其他中断，使得 CPU 从当前中断退出，转而执行其他中断；
• 前提条件
  • 提前开中断；
  • 规定：优先级高的中断可以干扰优先级较低的；
• 中断屏蔽字：每种中断都对应一个屏蔽字，字长和总中断类型数相同。设 $m[i][j]$ 表示第 $i$ 号中断屏蔽字第 $j$ 位；
  • $m[i][j]=1$，表示 $i$ 号中断可以屏蔽 $j$ 号；
  • $m[i][j]=0$，表示不能屏蔽；
• 区分：响应优先级和处理优先级
  • 响应优先级：决定中断 A 和 B 同时到达时，CPU 先处理哪个；
  • 处理优先级：决定中断 A 已在处理时，若收到 B 的请求，是否转而处理 B；
  • 处理优先级主要用于多重中断。要生效，CPU 要先开中断；