計算機組成結構—中斷和異常

一、基本概念和分類

????????計算機在執行程序的過程中，有時會遇到一些異常情況或者特殊請求；這時就需要計算機暫停正在運行的程序，轉而先去處理這些異常或特殊請求，處理結束之后再返回程序的斷點處繼續執行。這種處理方式就被稱為 “中斷”，計算機的這種功能就稱為 中斷處理；實現這種功能所需的軟硬件技術統稱為 中斷技術。

????????很顯然，對于一些突發情況和實時傳來的外部信號，相比時刻查詢的方式，使用中斷技術可以大大地提高計算機的整體效率。

????????能夠引發中斷的因素有很多，比如電源掉電、打印機請求、運算溢出、缺頁等等。通常將能夠引起中斷的各種因素稱為 中斷源。根據各種中斷源的類型，可以對中斷進行不同的分類。

1.中斷和異常

????????從中斷的來源看，直觀上可以分成兩類：一類是由外部設備向 CPU 發出的請求（比如打印），或者突發的外部事件或環境對計算機造成了影響（比如電源掉電），在 CPU 外部產生；另一類是 CPU 在執行指令時遇到的異常情況，在 CPU 內部產生。

????????通常將 CPU 內部產生的中斷稱為 異常（Exception），也稱作 內中斷。異常一般是 CPU 的控制單元（CU）在執行指令時遇到了意外情況、因而必須暫停處理；由于一定會在一條指令執行結束后才發出中斷，因此也被叫做 同步中斷。

????????與之對應，來自于 CPU 外部其它硬件設備的中斷，就被稱為 外中斷，或者直接叫做（狹義的） 中斷（Interrupt）。它們通常是外部設備依照 CPU 時鐘隨機產生的，因此也被叫做 異步中斷。

????????事實上，對于中斷（狹義）和異常，CPU 的處理流程都是先中止當前正在執行的程序、轉而去執行相應的中斷處理程序（稱為 “中斷服務程序”），完成中斷響應之后，再回到斷點處繼續執行。因此，一般可以把它們統稱為（廣義的）中斷。

2.中斷和異常的分類

????????中斷請求并不一定都非常急迫、必須立刻響應。CPU 可以對中斷進行判別、選擇，屏蔽某些中斷源的請求；根據是否可以被屏蔽，中斷（狹義）又可以分成兩類：

可屏蔽中斷：可屏蔽中斷有 “屏蔽” 和 “非屏蔽” 兩種狀態；處在屏蔽狀態的中斷，CPU 將不予以響應。I/O 設備的中斷請求都屬于可屏蔽中斷。
不可屏蔽中斷：一些急迫事件 CPU 必須予以響應，發出的中斷不能屏蔽。例如電源掉電就屬于不可屏蔽中斷。

????????而對于異常，由于它跟指令的執行有關，因此根據中斷處理完成后、接下來指令執行的情況，可以進一步進行分類： ?

故障（Fault）：通常可以糾正，一旦糾正則程序可以重新執行原先產生中斷的那條指令；也稱為 “程序性事故”。例如運算溢出、缺頁異常。
陷阱（Trap）：這種異常是人為設置的，表示自愿停止現行程序、轉入中斷處理，因此也叫 “自愿中斷”、“自陷”。一般計算機中都會設置陷阱指令，執行到它就會轉至別處做特殊處理，完成之后就返回到陷阱指令的下一條指令繼續執行。例如調試程序時的斷點設置、執行系統調用等。
異常中止（Abort）：如果發生了嚴重的錯誤，程序無法繼續執行，那么就只能把控制權交給異常中止處理程序；而現行程序只能強制停止運行。例如硬件故障、系統表中無效的值等。

3.中斷系統

????????中斷改變了計算機執行程序的順序，因此需要 CPU 進行特別的處理。為了實現中斷處理的功能，CPU 中一般會設置專門的處理機構，這就是 中斷系統。

????????中斷系統主要需要解決以下一些問題：

中斷源怎樣向 CPU 發出中斷請求；
當有多個中斷源同時發出請求時，怎樣確定響應順序；
CPU 怎樣響應中斷請求；
CPU 響應中斷之后，怎樣保護現場；
CPU 響應中斷后，怎樣暫停原程序的執行、找到中斷服務程序的入口地址；
中斷處理結束后，CPU 如何恢復現場、返回原程序的斷點處；
如果中斷處理時又有新的中斷請求，應該怎樣處理。

接下來我們就通過學習中斷系統，來解決這些問題。

二、中斷的檢測

????????在 CPU 的指令周期中，最后一個階段就是 中斷周期。在一條指令執行階段的最后時刻，CPU 會發出 中斷查詢信號，檢測是否有中斷請求。如果有，則進入中斷周期進行中斷處理。

1.中斷請求標記

????????不同的中斷源都可以向 CPU 發出中斷請求，為了區分中斷源，中斷系統中會專門設置一個 中斷請求標記觸發器，簡稱 中斷請求觸發器，用 INTR 表示。當某個中斷源的觸發器 INTRi?為 “1” 時，就表示該中斷源發來了請求。

????????這些觸發器可以分散在各個中斷源的接口電路中，也可以集成在 CPU 中，組成一個 中斷請求標記寄存器。

????????寄存器里的每一位就對應著一個中斷源的請求觸發器。任意一個觸發器為 1，就表示對應的中斷源發出了中斷請求。 ?

2.中斷判優

????????在中斷系統中，同一時刻只能響應一個中斷源的請求。如果有多個中斷源同時發出了請求，那就需要中斷系統按照設定好的優先順序來依次響應；這被稱為 中斷判優。中斷源的優先級是依據重要性和急迫性而定的。

????????中斷判優就是要對一組中斷請求按優先級進行 “排隊”，可以用硬件和軟件兩種方式實現。

（1）硬件排隊

????????硬件排隊是直接用硬件電路實現中斷請求的排隊，具體方法很多，主要有兩種：一種是在 CPU 內統一設置一個 “排隊器”；另一種是在中斷源設備的接口電路中分別設置排隊器。

????????在 CPU 內設置排隊器：各中斷源的請求觸發器按優先級依次排列，高優先級的請求信號通過接入一個多輸入的與非門，來 “封住” 低優先級的中斷請求。

????????在接口電路中設置排隊器：每個接口電路中都設置一個反相器和一個與非門，與非門的輸出接入下一級，就可以實現對更低優先級中斷請求的封鎖。它們彼此之間直接連成鏈狀，因此也稱為 “鏈式排隊器”。 ?

（2）軟件排隊

????????軟件排隊，就是直接通過編寫查詢程序實現中斷請求的排隊。

????????程序按照中斷源的優先級，從高到低依次判斷是否有中斷請求，這樣就保證了中斷響應的順序。 ?

三、中斷的響應

1.中斷響應的條件

????????由于在處理中斷時，CPU 不應受到新中斷請求的打擾，因此需要有 “開關中斷” 的功能。在中斷系統中，這是由 允許中斷觸發器 EINT 和專門的指令來實現的。

????????EINT 可以被 開中斷指令 置 “1”，這時表示 CPU 打開了中斷功能，允許響應中斷源的請求；EINT 也可以被 關中斷指令 置 “0”，這意味著 CPU 關閉中斷功能，禁止響應中斷。

????????在 x86 架構的 CPU 中，EINT 就對應著 標志寄存器（程序狀態字）efl 中的一位，用 IF 表示。

????????因此可以總結，當 EINT = 1 且有中斷請求（INTRi = 1）時，CPU 就可以響應中斷。 ?

2.中斷響應的時間

????????很多情況下中斷請求的產生是隨機的，為了不影響 CPU 的正常工作，需要周期性地在統一的時刻由 CPU 發出中斷查詢信號，判斷當前是否有中斷請求。

????????因此 CPU 響應中斷的時間，一定是在每條指令執行階段的結束時刻；相當于在指令周期最后又加入了一個階段，這就是 中斷周期。執行周期結束后，如果有中斷請求，則 CPU 進入中斷周期；如果沒有則直接進入下一條指令的取指周期。

3.中斷響應的過程

????????CPU 響應中斷之后，就會進入中斷周期。在中斷周期 CPU 會執行一系列的操作，這些操作都是由一條 中斷隱指令 完成的。所謂的隱指令，指的是指令系統中本身沒有這條指令，它是由硬件自動完成的。具體操作如下：

（1）保護程序斷點

????????將當前 PC 的內容（程序斷點位置）保存到主存中。可以存入特定的某個地址（比如 0 地址），也可以存入堆棧中。

（2）尋找中斷服務程序的入口地址

????????在中斷周期內，可以用兩種方法尋找中斷服務程序的入口地址：硬件向量法和軟件查詢法，分別對應著硬件和軟件實現。

（3）關中斷

????????為了在響應中斷后，不受到新的中斷請求的干擾，在中斷周期需要自動做 “關中斷” 的操作，禁止 CPU 再次響應中斷請求。關中斷的具體操作就是將允許中斷觸發器 EINT 置 “0”，一般直接由硬件電路實現。

????????對應的微操作如下：

四、中斷服務程序

?1.中斷服務程序的入口地址

????????不同的中斷請求，需要執行不同的中斷服務程序。尋找中斷服務程序的入口地址，通常可以采用兩種方法：硬件向量法 和 軟件查詢法。

（1）硬件向量法

????????所謂硬件向量法，就是使用硬件直接產生一個 向量地址，再用這個向量地址找到中斷服務程序的入口地址。向量地址由中斷向量地址形成部件產生。

????????中斷向量地址形成部件的輸入，是來自排隊器的輸出 INTPi ，它的輸出則是一個二進制的 中斷向量。一般可以讓一個中斷源對應一個向量地址，因此這個部件本質上就是一個編碼器。

????????通過向量地址尋找中斷服務程序入口地址可以采用兩種方法。

在向量地址對應內存單元放一條 無條件轉移指令。這樣 CPU 響應中斷時，只要將向量地址交給 PC，然后執行這條指令，就可以跳轉到中斷服務程序入口地址了。
設置 向量地址表。向量地址表存放在主存中，向量地址就是對應存儲單元的地址，而存放的內容就是中斷服務程序的入口地址。

????????硬件向量法尋找入口地址速度快，現代計算機中普遍使用這種方法。

（2）軟件查詢法

????????用軟件尋找中斷服務程序入口地址的方法，就叫做軟件查詢法。各個中斷源對應的入口地址，是由程序員（或系統）預先定好、寫入程序的；可以結合軟件排隊的中斷判優，確定要響應某個中斷請求時，直接跟上一條轉移指令、跳轉至定義好的入口地址就可以了。

????????軟件查詢法不涉及硬件，更加容易維護和擴展，但查詢的時間更長。

2.中斷服務程序的流程

????????不同的中斷請求對應的中斷服務程序不同，不過它們的處理流程是類似的，一般包括 保護現場、中斷服務、恢復現場 和 中斷返回 4 個部分。

（1）保護現場

????????保護現場通常包含兩層含義：一是保存程序的斷點，這由中斷隱指令完成；二是保存通用寄存器和狀態寄存器的內容，這需要中斷服務程序完成。

????????具體操作就是在中斷服務程序的起始部分，安排幾條存數（Store）指令，將寄存器的內容全部保存到主存中；或者直接用入棧（Push）指令將寄存器內容推入棧中。

（2）中斷服務

????????中斷服務是中斷服務程序的主體部分，針對不同的中斷源，需要做出對應的操作內容。

（3）恢復現場

????????中斷服務程序的結尾部分，還需要恢復現場。對應著之前的保護現場，這一步可以用取數（Load）指令或者出棧（Pop）指令，將保存在主存中的信息恢復到寄存器中。

（4）中斷返回

????????中斷服務程序的最后一條指令，通常是一條 中斷返回指令，從而返回到原程序的斷點處繼續執行。

????????如果在 CPU 執行中斷服務程序時，又來了一個新的中斷請求，這時有兩種處理方式：一種是直接不予響應，即 CPU 在響應中斷的過程中保持 “關中斷” 狀態，直到中斷服務程序執行結束、返回之前才開中斷；另一種則是 CPU 立即響應新的中斷請求，這需要在中斷服務程序的開始階段 “開中斷”。 ?

五、中斷屏蔽技術

1.多重中斷

????????如果 CPU 在響應某個中斷請求的時候，另一個中斷源又提出了一個新的中斷請求；而 CPU 立即響應這個請求，暫停正在運行的中斷服務程序、轉而去運行新的中斷服務程序，這就是 中斷嵌套，也稱為 多重中斷。與之對應，如果 CPU 在響應中斷時不去響應新的中斷請求，則稱為 單重中斷。

????????實現多重中斷，需要滿足兩個基本條件：

提前設置 “開中斷” 指令

????????由于進入中斷周期后，中斷隱指令會自動將 EINT 置為 0，因此默認會關中斷、不再響應新的中斷請求；這時如果希望處理多重中斷，就必須在中斷服務程序的開始階段設置 “開中斷” 指令來打開中斷。

優先級高的中斷源有權中斷優先級低的中斷源

????????只有優先級別更高的中斷源，才能打斷正在執行的中斷服務程序、優先被響應。

? ? ? ? 例如，有 A、B、C、D 四個不同的中斷源，優先級為 A > B > C > D。在 CPU 執行程序時，在某個指令周期，同時查詢到了 B、C 發來的中斷請求；之后在執行中斷服務程序的過程中，又先后查詢到了 D、A 的請求。那么如果允許多重中斷，中斷處理的時間順序如下： ?

????????中斷請求如果同時到來（比如上例中的 B、C），我們可以進行中斷判優、利用排隊器決定它們的先后順序。但對于多重循環，還需要在中斷響應過程中繼續判斷優先級、決定是否可以打斷當前的中斷服務程序。這是通過 中斷屏蔽技術 來實現的。

2.中斷屏蔽觸發器

? ? ? ?為了實現對每個中斷源的屏蔽，可以在中斷請求觸發器 INTR 之前增設一個 中斷屏蔽觸發器 MASK。當 MASK 為 “1” 時，表示該中斷源被屏蔽，中斷請求不被響應。

????????屏蔽觸發器同樣既可以設置在接口電路中、也可以直接集成在 CPU 內。以 I/O 設備作為中斷源為例，I/O 設備的接口電路中會有一個 完成觸發器 D，它為 “1” 則表示設備已經處于就緒狀態、要向 CPU 發出中斷請求了。一般情況下，D 的輸出可以直接接到中斷請求觸發器 INTR 的輸入；現在則可以與 MASK 的輸出經與非門之后、再交給 INTR。

????????這樣，當設備已經準備就緒（D = 1），且設備未被屏蔽（MASK = 0）時，來自 CPU 的中斷查詢信號就會將 INTR 置 “1”，表示該設備發出了中斷請求信號。

????????同樣，排隊器內也可以加上屏蔽條件，就組成了具有屏蔽功能的排隊器。例如集成在 CPU 內的排隊器如果加上屏蔽功能，只需要另外將屏蔽信號也接入與非門就可以了：

3.屏蔽字和屏蔽技術

????????顯然，對于每個中斷源，中斷請求觸發器 INTR 和中斷屏蔽觸發器 MASK 都是成對出現的。如果將所有屏蔽觸發器組合在一起，也可以構成一個 屏蔽寄存器。屏蔽寄存器的內容就稱為 屏蔽字。

????????屏蔽字可以在中斷服務程序中進行設置，屏蔽字和中斷源的優先級是一一對應的。以 16 個中斷源 I1 ~ I16 的屏蔽字為例，每個屏蔽字都是 16 位：

????????在不同中斷源的中斷服務程序中，可以設置適當的屏蔽字，就能對優先級不同的中斷源進行屏蔽。

????????例如，在 I~1~ 的服務程序中，將屏蔽字設為全 1，就表示它的優先級最高：在響應 I~1~ 中斷請求的過程中，不會再去響應任何新的請求（包括 I~1~ 自己發來的）；這相當于就是單重中斷。而對于 I~3~ ，在服務程序中將屏蔽字前兩位設為 0、后面為 1，表示 I~1~、I~2~ 優先級更高、不被屏蔽，而后面的中斷源（包括自己）被屏蔽；于是開中斷之后，I~1~、I~2~ 發來的新中斷請求就可以打斷當前 I~3~ 的中斷服務程序，實現了多重中斷。