中断详解

异常和中断的概念

由CPU内部产生的意外事件叫做异常，有些教材中称为"内中断"。由来自CPU外部的设备向CPU发出的中断请求被称为中断。通常用于检测信息的输入和输出

异常和中断的分类

异常的分类

异常时由CPU内部产生的意外事件，分为故障中断和程序性异常。硬故障中断时由应连线出现异常引起的，如存储器校验错/总线错误等。程序性异常也成为软件中断，是指在CPU内部因为执行指令而引起的异常事件。如整除0、溢出、断点、单步跟踪、非法指令、栈溢出、地址越界、缺页等

故障
- 指在引起故障的指令启动后、执行结束前被检测到的异常事件，如内存的缺页和缺段、除数为0等，对缺页缺段等异常事件，处理后回到故障发生的指令继续执行，而非法操作码、除数为0则不能返回到原断点执行，必须终止进程的执行
自陷
- 自陷也称陷阱或者陷入，是预先安排的一种异常事件，就像预先设定的陷阱一样，在操作系统中用于用户态与内核态之间的切换，比如当用户程序想要执行系统调用时，需要通过一条自陷指令进入到内核态
  故障异常和自陷异常属于程序性异常(软件中断)
终止
- 如果在执行指令的过程中发生了使计算机无法继续执行的硬件故障，如控制器出错、存储器校验错、总线错误等，那么程序无法继续执行，只能终止，此时调出异常服务程序来重启系统，这种异常与故障和自陷不同，不是由特定指令产生的，而是随机发生的。
  终止异常和外中断属于硬件中断

中断的分类

中断是指来自CPU外部，与CPU执行指令无关的事件引起的中断，包括I/O设备发出的I/O中断,时钟中断或者其他的特殊事件等。外部设备通过特定的中断请求信号线向CPU提出中断请求，CPU每执行完一条指令就检查中断请求信号线，如果检测到中断请求，就进入中断响应周期。
中断分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断

可屏蔽中断
指通过屏蔽中断请求线INTP向CPU发出的中断请求。CPU可以通过在中断控制器中设置相应的屏蔽字来屏蔽它或者不屏蔽它。
不可屏蔽中断
指通过专门的不可屏蔽中断请求线NMI向CPU发出的中断请求。通常时非常紧急的硬件故障，如电源掉电等，这类中断请求信号不可以被屏蔽，CPU需要快速处理这类紧急事件

中断的作用

CPU与I/O设备并行工作
硬件故障处理
实现人机联系：在计算机工作过程中，如果用户要干预机器，如查看计算的中间结果，了解机器的工作状态，给机器下达临时性的命令等。在没有中断系统的计算机里这些功能几乎是无法实现的。
实现多道程序和分时操作
实现实时处理
实现应用程序和操作系统的联系
多处理机系统各处理机间的联系

异常和中断的区别

中断和异常本质上是一样的，但是他们有以下两个重要的不同点

“缺页”或者“溢出”等异常事件是由特定指令在执行过程中产生的，而中断不和任何指令相关联，也不阻止任何指令的完成
异常的检测由CPU自身完成，不必通过外部的某个信号通知CPU。对于中断，CPU必须通过中断请求先获取中断源的信息，才能知道是哪个设备发生了何种中断
此外，根据识别中断服务程序地址的方式，可以分为向量中断和非向量中断；根据中断处理的程序是否可以被打断，可以分为单重擢内阁段和多重中断

CPU如何发现中断请求

简单来说，就是在每条指令的中断周期，扫描中断请求标记触发器INTR，看看是否有设备发出了中断请求。

那么中断和异常是如何给CPU一个具体的中断号的呢？
有一个设备叫做可编程中断控制器，它有很多的 IRQ 引脚线，接入了一堆能发出中断请求的硬件设备，当这些硬件设备给 IRQ 引脚线发一个信号时，由于可编程中断控制器提前被设置好了 IRQ 与中断号的对应关系，所以就转化成了对应的中断号，把这个中断号存储在自己的一个端口上，然后给 CPU 的 INTR 引脚发送一个信号，CPU 收到 INTR 引脚信号后去刚刚的那个端口读取到这个中断号的值。

从总线的角度来看，这里“给CPU的INTR引脚发送一个信号”走的是控制总线，而“CPU 收到 INTR 引脚信号后去刚刚的那个端口读取到这个中断号的值”走的是数据总线

中断判优

异常和中断的响应过程

CPU响应中断之后，通过某些操作，转去执行中断服务程序，这些操作是由硬件直接实现的，他们将它称为中断隐指令，中断隐指令并非指令系统的一条真正的指令，而是一种虚拟的说法，本质上是硬件的一系列自动操作，它完成的操作如下：

关中断。CPU 响应中断后，首先要保护程序的断点和现场信息，在保护断点和现场的过程中，CPU 不能响应更高级中断源的中断请求。否则，若断点或现场保存不完整，在中断服务程序结束后，就不能正确地恢复并继续执行现行程序。
保存断点。为保证在中断服务程序执行完后能正确地返回到原来的程序，必须将原程序的断点(指令无法直接读取的PC和PSW的内容)保存在或特定寄存器中。
- 注意异常和中断的差异:异常指令通常并没有执行成功，异常处理后要重新执行，所以其断点通常是当前指令的地址。中断的断点则是下一条指令的地址。
引出中断服务程序。识别中断源，将对应的服务程序入口地址送入程序计数器PC。有两种方法识别中断源:硬件向量法和软件查询法。本节主要讨论比较常用的向量中断。

中断向量

中断识别分为向量中断和非向量中断两种。非向量中断即软件查询法，第 5 章已介绍。
每个中断源都有一个唯一的类型号，每个中断类型号都对应一个中断服务程序，每个中断服务程序都有一个入口地址，即中断向量，CPU 必须找到入口地址。把系统中的全部中断向量集中存放到存储器的某个区域内，这个存放中断向量的存储区就称为中断向量表。

中断向量表的数据结构

CPU 响应中断后，通过识别中断源获得中断类型号，然后据此计算出对应中断向量的地址；再根据该地址从中断向量表中取出中断服务程序的入口地址，并送入程序计数器 PC，以转去执行中断服务程序，这种方法被称为中断向量法，采用中断向量法的中断被称为向量中断。
注意：中断请求和响应信号是在 I/O 总线的控制线上传送的。CPU 响应某一中断后，就从数据线上获取该中断源的中断类型号，并据此计算对应中断向量在中断向量表中的位置。