（第三章 11）中断
一、中断回顾
??? 1. 中断的基本概念
????? 中断：在计算机科学中，中断是指由于接收到来自外围硬件（相对于中央处理器和内存）的异步信号或来自软件的同步信号，而进行相应的硬件／软件处理。发出这样的信号称为进行中断请求（interrupt request，IRQ）。硬件中断导致处理器通过一个上下文切换（context switch）来保存执行状态（以程序计数器和程序状态字等寄存器信息为主）；软件中断则通常作为CPU指令集中的一个指令，以可编程的方式直接指示这种上下文切换，并将处理导向一段中断处理代码。中断在计算机多任务处理，尤其是实时系统中尤为有用。这样的系统，包括运行于其上的操作系统，也被称为“中断驱动的”（interrupt-driven）。
????? 中断是用以提高计算机工作效率、增强计算机功能的一项重要技术。最初引入硬件中断，只是出于性能上的考量。如果计算机系统没有中断，则处理器与外部设备通信时，它必须在向该设备发出指令后进行忙等待(Busy waiting)，反复轮询该设备是否完成了动作并返回结果。这就造成了大量处理器周期被浪费。引入中断以后，当处理器发出设备请求后就可以立即返回以处理其他任务，而当设备完成动作后，发送中断信号给处理器，后者就可以再回过头获取处理结果。这样，在设备进行处理的周期内，处理器可以执行其他一些有意义的工作，而只付出一些很小的、切换上下文所引发的时间代价。后来被用于CPU外部与内部紧急事件的处理、机器故障的处理、时间控制等多个方面，并产生通过软件方式进入中断处理（软中断）的概念。
????? 在硬件实现上，中断可以是一个包含控制线路的独立系统，也可以被整合进存储器子系统中。对于前者，在IBM个人机上，广泛使用可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC）来负责中断响应和处理。PIC被连接在若干中断请求设备和处理器的中断引脚之间，从而实现对处理器中断请求线路（多为一针或两针）的复用。作为另一种中断实现的形式，即存储器子系统实现方式，可以将中断端口映射到存储器的地址空间，这样对特定存储器地址的访问实际上是中断请求。
中断可分为如下几种：
??? 1). 硬件中断
??? 可屏蔽中断（maskable interrupt）。硬件中断的一类，可通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。
??? 非可屏蔽中断（non-maskable interrupt，NMI）。硬件中断的一类，无法通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。典型例子是时钟中断（一个硬件时钟以恒定频率—如50Hz—发出的中断）。
??? 处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。
??? 伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题。
??? 2). 软件中断
??? 软件中断。是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态（Kernel Mode/Ring 0）的子例程，它常被用作实现系统调用（System call）。
??? 处理器通常含有一个内部中断屏蔽位（Sam: 在处理器中），并允许通过软件来设定。一旦被设定，所有外部中断都将被系统忽略。这个屏蔽位的存取速度显然快于中断控制器上的中断屏蔽寄存器（Sam: 在中断控制器上），因此可提供更快速地中断屏蔽控制。
??? 中断尽管可以提高计算机处理性能，但过于密集的中断请求／响应反而会影响系统性能。这类情形被称作中断风暴（interrupt storm）。
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??? 2. 实例：8086A的中断系统
??? 8086A处理器是INTEL公司于20世纪70年代末推出的一款16位处理器。该处理器在中断处理上有如下特色，这些特色也为后续INTEL处理器所共有。
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引脚NMI和INTR
??? 8086A提供两个中断引脚：第17引脚NMI，和第18引脚INTR。前者用于接收非可屏蔽中断，后者则接收可屏蔽中断。通常，INTR引脚与中断控制器（如8259A）相连，后者再分别与各设备的中断请求引脚连接。除了INTR外，8086A还将自身的16位地址总线（配合M/IO引脚并通过译码器）及8位数据总线与8259A连接，并将INTA引脚与8259A的同名引脚相连。
中断向量表和中断描述符表(IDT)
??? 在存储器地址空间中，规定最低的1K空间，即00000H到003FFH为中断向量表。全表共含256个中断向量，每个向量的长度为4字节，包含中断处理程序的起始地址。共有从0到255共256个中断类型码，每个中断类型码对应的中断向量所在地址为该类型码乘以4。举例而言，如果中断类型码为1，则对应中断向量所在地址为00004H；如果中断类型码为33，则对应中断向量所在地址为00084H。这样，如果已知一个中断类型码，则需要通过两次地址转换（中断类型码到中断向量表地址；中断向量表地址到中断处理程序地址）才能到达中断处理程序。另外应注意每一个中断向量所包含的地址是以低二字节存储偏移量，高二字节存储段地址的形式存储目标地址值的。
??? 在全部256个中断中，前32个（0—31）为硬件系统所预留。后224个可由用户设定。在初始化8259A时，可设定其上各中断引脚（共8条）对应的中断类型码。同时，将对应此中断之处理程序的起始地址保存在该中断类型码乘4的地址位中，作为中断向量。
??? 在INTEL后续的32位CPU中，使用中断描述符表来代替中断向量表。中断描述符表的起始地址由中断描述符表寄存器（IDTR）来定位，因此不再限于底部1K位置。另一方面，中断描述符表的每一个项目——称作门描述符——除了含有中断处理程序地址信息外，还包括许多属性／类型位。门描述符分为三类：任务门、中断门和自陷门。CPU对不同的门有不同的调用（处理）方式。
中断处理过程
??? 在实际运行中，一旦设备通过某引脚N向8259A发出中断指令，后者便向8086A的INTR引脚发送中断信号。8086A通过INTA引脚通知8259A中断有效（这个过程实际上还包括对此8259A的选址），后者即通过地址总线将对应引脚N的中断类型码（已预先存好，见上节）发送给CPU。CPU得到中断类型码后，先进行现场保护，主要包括：
??? 状态寄存器FLAGS压栈（同时堆栈寄存器SP-2）；
??? 关闭中断（将FLAGS寄存器的IF位置零）；
??? 将当前代码段寄存器CS和程序计数器IP压栈（同时堆栈寄存器SP-4）。
??? 现场保护完成后，CPU开始按照前述的两步骤翻译中断程序入口地址。在得到中断处理程序地址之后但调用中断处理程序之前，CPU会再检查一下NMI引脚是否有信号，以防在刚才的处理过程中忽略了可能的NMI中断。NMI的优先级始终高于INTR。
??? 注：INTR接收可屏蔽中断，NMI接收非可屏蔽中断。他们都是硬件中断。
??? 中断处理程序虽然是由程序员编写，但须循一定规范。作为例程，中断处理程序应该先将各寄存器信息（除了IP和CS，此二寄存器现已指向当前中断程序）压入堆栈予以保存，这样才能在中断处理程序内部使用这些寄存器。在程序结束时，应该按与压栈保护时相反的顺序弹出各寄存器的值。中断程序的最后一句始终是IRET指令，这条指令将栈顶6个字节分别弹出并存入IP、CS和FLAGS寄存器，完成了现场的还原。
??? 当然，如果是操作系统的中断处理程序，则未必——通常不会——还原中断前的状态。这样的中断处理程序通常会在调用完寄存器保存例程后，调用进程调度程序（多由高级语言编写），并决定下一个运行的进程。随后将此进程的寄存器信息（上次中断时保存下来的）存入寄存器并返回。在中断程序结束之后，主程序也发生了改变。
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一些与中断控制相关的指令包括：
??? CLI 关闭中断（实为将FLAGS的IF位置0）。
??? STI 开启中断（实为将FLAGS的IF位置1）。
??? INT n 调用中断子程序，n为中断类型码。DOS系统有一个系统调用API即为INT 21H。
??? INT0 先判别FLAGS的OF位是否为1，如是则直接调用类型为4的中断子程序，用以处理溢出中断。
??? IRET 将栈顶6个字节分别弹出并存入IP、CS和FLAGS寄存器，用以返回中断现场。
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二、
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