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中断处理

概述

中断是指CPU暂停当前程序的执行,转去处理突发事件,处理完后再返回原程序继续执行的过程。中断机制是现代计算机系统的重要特性,它使CPU能够响应外部事件,实现与外设的并行工作。

中断的作用

中断的重要作用

中断机制使计算机系统具有以下重要能力:

  1. 实现CPU与外设的并行工作
  2. CPU启动外设后继续执行程序
  3. 外设完成后通过中断通知CPU

  4. 提高系统效率

  5. 处理硬件故障和软件错误

  6. 及时响应硬件故障
  7. 处理程序运行错误

  8. 提高系统可靠性

  9. 实现人机交互

  10. 响应键盘输入
  11. 处理鼠标事件

  12. 提供交互式操作

  13. 支持多道程序设计

  14. 实现进程切换
  15. 支持时间片轮转
  16. 提高资源利用率

中断的类型

1. 硬件中断

硬件中断

由外部硬件设备产生的中断,也称为外中断。

类型:

  • 可屏蔽中断: 可以被CPU禁止的中断
  • I/O中断: 外设完成中断

  • 时钟中断: 定时器中断

  • 不可屏蔽中断: 不能被CPU禁止的中断

  • 电源故障中断
  • 总线错误中断

特点:

  • 异步产生,与程序执行无关
  • 可以被禁止(可屏蔽中断)
  • 优先级相对较低

2. 软件中断

软件中断

由程序执行中断指令产生的中断,也称为内中断。

类型:

  • 系统调用: 用户程序请求操作系统服务
  • 陷阱(Trap): 程序主动产生的中断
  • 断点设置
  • 单步执行

特点:

  • 同步产生,与程序执行相关
  • 不能被禁止
  • 用于实现系统功能

3. 异常

异常

由程序运行错误产生的中断。

类型:

  • 故障(Fault): 可以修复的错误
  • 缺页异常
  • 除零异常

  • 非法操作码

  • 终止(Abort): 不可修复的错误

  • 硬件故障
  • 系统表错误

特点:

  • 同步产生,与程序执行相关
  • 不能被禁止
  • 需要特殊处理

中断处理过程

中断处理的完整流程

graph TB
    A[CPU执行程序] --> B{中断请求?}
    B -->|否| A
    B -->|是| C{中断允许?}
    C -->|否| A
    C -->|是| D[中断响应]
    D --> E[保存断点PC]
    E --> F[保存程序状态PSW]
    F --> G[关中断]
    G --> H[识别中断源]
    H --> I[获取中断向量]
    I --> J[转中断服务程序]
    J --> K[执行中断服务程序]
    K --> L[恢复PSW]
    L --> M[恢复PC]
    M --> N[开中断]
    N --> A

1. 中断请求

中断请求过程

硬件中断请求:

  • 外设完成操作后发出中断请求信号
  • 中断请求信号送到中断控制器
  • 中断控制器向CPU发出中断请求

软件中断请求:

  • 程序执行中断指令(INT n)
  • CPU识别中断类型号n
  • 转入相应的中断处理程序

2. 中断判优

当多个中断源同时请求时,需要判断优先级。

判优方法:

  • 硬件判优: 由中断控制器硬件实现
  • 软件判优: 由软件查询实现

优先级原则:

  • 不可屏蔽中断 > 可屏蔽中断
  • 硬件故障 > 软件错误 > 外设请求
  • 高速设备 > 低速设备
  • 实时设备 > 非实时设备

3. 中断响应

中断响应条件

CPU响应中断需要满足以下条件:

  1. CPU处于开中断状态(IF=1)
  2. 当前指令执行完成
  3. 没有更高优先级的中断正在处理

响应过程:

sequenceDiagram
    participant CPU
    participant Stack
    participant Memory
    participant ISR
    
    Note over CPU,ISR: 中断响应
    CPU->>Stack: 保存PC
    CPU->>Stack: 保存PSW
    CPU->>CPU: 关中断
    CPU->>Memory: 获取中断向量
    Memory->>CPU: 返回ISR地址
    CPU->>ISR: 转入中断服务程序

4. 中断服务

中断服务程序的结构:

Text Only
1
2
3
4
5
6
7
中断服务程序:
    保存现场        // 保存寄存器内容
    开中断          // 允许嵌套中断
    中断处理        // 执行中断处理功能
    关中断          // 禁止嵌套中断
    恢复现场        // 恢复寄存器内容
    中断返回        // 返回原程序

5. 中断返回

  • 恢复程序状态字(PSW)
  • 恢复程序计数器(PC)
  • 开中断
  • 返回原程序继续执行

中断嵌套

中断嵌套

在处理一个中断时,又响应了更高优先级的中断,称为中断嵌套。

实现条件:

  • 在中断服务程序中开中断
  • 新中断的优先级更高

嵌套过程:

graph LR
    A[主程序] -->|中断1| B[中断服务程序1]
    B -->|中断2| C[中断服务程序2]
    C -->|返回| B
    B -->|返回| A

注意事项:

  • 嵌套深度有限制
  • 需要合理设置优先级
  • 避免中断风暴

中断屏蔽

中断屏蔽

通过设置中断屏蔽字,可以禁止某些中断。

屏蔽字的作用:

  • 禁止低优先级中断
  • 保证重要中断的响应
  • 实现中断优先级的动态调整

屏蔽字设置:

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1
2
3
4
5
中断屏蔽寄存器:
    位0: 屏蔽中断0
    位1: 屏蔽中断1
    位2: 屏蔽中断2
    ...

中断向量

中断向量

中断向量是中断服务程序的入口地址。

中断向量表:

中断类型号 中断向量 中断类型
0 0000H 除零异常
1 0004H 单步中断
2 0008H 不可屏蔽中断
3 000CH 断点中断
... ... ...
n n×4 用户定义中断

中断向量的获取:

  • 硬件中断: 由中断控制器提供
  • 软件中断: 由中断指令提供
  • 异常: 由CPU自动产生

典型中断处理示例

1. I/O中断处理

I/O中断处理流程

sequenceDiagram
    participant Device
    participant CPU
    participant ISR
    participant Buffer
    
    Device->>CPU: I/O完成中断
    CPU->>CPU: 保存现场
    CPU->>ISR: 转入I/O中断服务程序
    ISR->>Device: 读取数据
    Device->>Buffer: 数据送缓冲区
    ISR->>ISR: 唤醒等待进程
    ISR->>CPU: 恢复现场
    ISR->>CPU: 中断返回

2. 时钟中断处理

功能:

  • 维护系统时间
  • 实现时间片轮转
  • 处理定时任务

处理过程:

  1. 更新系统时间
  2. 检查时间片是否用完
  3. 如果用完,进行进程调度
  4. 检查定时器队列
  5. 处理到期的定时任务

3. 缺页异常处理

功能:

  • 处理虚拟存储器的缺页
  • 实现按需调页

处理过程:

  1. 保存异常信息
  2. 计算缺页的逻辑地址
  3. 查找页表,获取页面信息
  4. 如果页面不在内存:
  5. 分配物理页框
  6. 从磁盘读入页面
  7. 更新页表
  8. 重新执行引起异常的指令

中断与异常的比较

特性 中断 异常
产生方式 外部事件 内部事件
产生时机 异步 同步
返回位置 下条指令 当前指令或下条指令
处理方式 转中断服务程序 转异常处理程序
屏蔽性 可屏蔽(部分) 不可屏蔽

参考资料