計算機體系結構中的中斷服務程序ISR是什么？
在計算機體系結構中，中斷服務程序（Interrupt Service Routine, ISR） 是操作系統或硬件直接調用的關鍵代碼模塊，用于響應來自硬件設備、軟件異常或系統事件的中斷信號。其核心任務是快速處理中斷事件，確保系統實時性和設備交互的可靠性。
1. ISR 的本質
- 中斷的“處理者”：當CPU收到中斷請求（如鍵盤輸入、定時器到期、磁盤I/O完成），會暫停當前任務，轉去執行對應的ISR。
- 硬件與軟件的橋梁：ISR直接與硬件設備交互（如讀取寄存器、清除中斷標志），并將數據傳遞給上層軟件（如驅動程序或操作系統）。
2. 觸發ISR的中斷類型
| 中斷類型 | 來源 | 示例 |
|---|---|---|
| 硬件中斷 | 外部設備（通過中斷控制器） | 鍵盤按鍵、網卡收到數據、定時器到期 |
| 軟件中斷 | CPU指令或異常 | 系統調用（如int 0x80）、除零錯誤 |
| 內部異常 | CPU內部事件 | 缺頁異常、非法指令 |
3. ISR的執行流程
- 中斷觸發
- 設備（如鍵盤）通過中斷控制器（如APIC）向CPU發送中斷信號。
- 上下文保存
- CPU自動保存當前任務的寄存器狀態（如程序計數器、標志寄存器）。
- 跳轉至ISR
- 根據中斷向量號查詢中斷描述符表（IDT），定位ISR入口地址。
- ISR核心操作
- 關鍵動作：讀取設備數據、清除中斷標志、發送EOI（End of Interrupt）信號。
- 限制：必須短小高效，避免阻塞其他中斷。
- 中斷返回
- 恢復保存的上下文，CPU繼續執行原任務。
4. ISR的設計原則
- 原子性：執行期間通常關閉同級中斷（防止嵌套導致競態條件）。
- 無阻塞：禁止調用可能休眠的函數（如
malloc()、sleep()）。 - 數據傳遞：將耗時操作交給“下半部”（如Linux的
tasklet或workqueue）。
5. 實例：x86鍵盤ISR（簡化版）
// 鍵盤中斷號通常為IRQ1（對應向量號0x21）
void keyboard_isr() {uint8_t scancode = inb(0x60); // 從鍵盤控制器讀取掃描碼handle_keypress(scancode); // 將按鍵存入緩沖區（非阻塞操作）outb(0x20, 0x20); // 向PIC發送EOI信號（x86傳統模式）
}
6. 關鍵問題與優化
- 中斷風暴：若設備頻繁中斷（如故障網卡），會導致系統癱瘓。
解決方案：采用輪詢+中斷混合模式，或限制中斷頻率。 - 延遲敏感場景：實時系統需優化ISR響應時間（如嵌套中斷、優先級搶占）。
- 多核處理：SMP系統中需考慮中斷親和性（將中斷綁定到特定CPU核心）。
7. 相關概念擴展
- 中斷向量表（IVT）：實模式下存儲ISR地址的數組（256項，每項4字節）。
- 中斷描述符表（IDT）：保護模式下定義中斷門、陷阱門的結構（含權限位）。
- 中斷屏蔽：通過
cli（關中斷）或操作中斷控制器屏蔽特定中斷源。
總結
ISR是計算機響應異步事件的核心機制，其高效性直接影響系統性能和實時性。理解ISR對開發操作系統內核、設備驅動或嵌入式系統至關重要，尤其在需要低延遲和高可靠性的場景（如工業控制、實時數據處理）。
