8.4-中断系统
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了8.4-中断系统相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
【README】
1.本文总结自bilibili《计算机组成原理（哈工大刘宏伟）》的视频讲解，非常棒，墙裂推荐；
2.采用一问一答的方式对中断进行总结（中断7问题），refer2
https://blog.csdn.net/PacosonSWJTU/article/details/123539216
【1】概述
【1.1】引起中断的各种因素
0）中断系统作用：
第5章，我们用中断系统实现了数据的输入输出上；还可以用于程序调试，计算机系统的异常事件，都可以用中断系统来处理；
1）引起中断的各种因素
- 人为设置的中断；
- 程序性事故，如java异常；
- 硬件故障，如硬盘坏道；
- Io设备，如数据输入输出；
- 外部事件，如键盘中断按钮，调试程序；
【1.2】中断系统需解决的问题
| 序号 | 问题 |
| 1 | 各中断源如何向cpu提出请求？ |
| 2 | 各中断源同时提出请求，怎么办？ |
| 3 | Cpu在什么条件，什么时间，以什么方式响应中断？ |
| 4 | 如何保护现场 |
| 5 | 如何寻找入口地址？ |
| 6 | 如何恢复现场，如何返回？ |
| 7 | 处理中断的过程中又出现新的中断 怎么办？ |
【2】中断请求标记和中断判优逻辑
【2.1】中断请求标记
【问题1】多个中断源如何提出中断请求？
给每一个中断源设置一个触发器，用触发器来标记这个中断源是否提出了中断请求；
（一个中断源对应一个中断请求触发器INTR）多个触发器组成了中断请求标记寄存器；
中断触发器可以做在中断源的接口电路，或做在cpu内部；
【2.2】中断判优逻辑
【问题2】多个中断源同时提出中断请求，怎么办？
Cpu如何响应，响应对系统影响最大的中断源；
对中断源进行分级；响应优先级最高的中断源（对中断源的级别进行排队）；
排队器可以在中断源接口电路，或在cpu内部；
上图由硬件实现的排队器；也可以软件实现排队器；如下：
【3】 中断服务程序入口地址的寻找
【3.1】硬件向量法
排队器输出：只有1根线是高电平1，其他全部为低电平0；
向量地址形成部件：根据排队器输出，确定需要响应的中断源，从而确定执行哪一个中断服务程序（通过中断向量地址确定）；
【问题3】如何寻找中断服务程序的入口地址？（硬件向量法，或软件查询法）
用硬件查找中断服务程序入口地址有两种方法：
- 方法1： 在中断向量地址的存储单元中存放一条跳转指令 如 jmp 200，则200就是中断服务程序的入口地址；
- 方法2： 在中断向量地址的存储单元中存放的就是中断服务程序的入口地址，如中断向量地址12H，其保存的入口地址200；
【3.2】软件查找法
用软件如何查找中断服务程序入口地址？
通过执行中断识别程序，进行查找；
利用软件方法更加灵活；
中断识别程序查询步骤：
| 步骤 | 指令 | 说明 |
| 1 | SKP DZ 1# | SKP表示跳过下一条指令； 指令功能：查询第1号中断源的完成触发器D；看触发器是等于0还是等于1；
|
| 2 | JMP 1#SR | 执行中断服务程序 |
| 3 | SKP DZ 2 | …… |
| 4 | JMP 2SR | …… |
【4】中断响应
【问题4】Cpu在什么条件，什么时间，以什么方式响应中断？
1）cpu在什么条件下响应中断请求 ？
- 为了表示cpu是否响应中断请求，有一个允许中断触发器EINT，值=1表示允许cpu响应中断源发出的中断请求；
2）cpu在什么时间响应中断请求 ？
通常情况下，cpu只有在指令的执行阶段结束以后，才能够响应中断请求；
但cpu的某些指令的执行阶段比较长，这种情况就允许cpu在指令执行过程中，响应中断请求；
问题： 为什么cpu要把响应中断的时间放在指令执行阶段以后呢？
3）cpu响应中断过程：
- 在指令执行以后，cpu发送查询信号到中断源的中断请求触发器；查询信号把中断请求触发器的输出端设置为1，把中断请求信号发送到排队电路；
【4.3】中断隐指令
1）中断隐指令：说的是保存程序断点，寻找中断服务程序入口地址，关中断这3个步骤是计算机硬件来完成的，并不是在某一条具体指令的驱动下完成的；即，中断隐指令并不是指令集中的指令；但在响应中断过程中，这些硬件操作都要执行；
EINT，允许中断的R-S触发器； （值为1，表示允许中断）
INT，中断标记的R-S触发器；（值为1，表示相应中断；只要INT设置为1，EINT就要被设置为0）
【4.3.1】中断响应过程中要解决的3个问题：
问题1）保护程序断点： 断点就是中断服务程序执行完成后，返回执行的指令；
- 方法1：断点存到特定地址（0号地址）内；
- 方法2：断点进栈；
问题2） 寻找中断服务程序入口地址；
- 方法1）采用硬件向量法：把中断向量地址发送到PC寄存器；PC中保存了向量地址，这个向量地址保存了中断服务程序的入口地址，或跳转指令，该指令会跳转到中断服务程序；
- 方法2）软件查询法：中断识别程序的入口地址发送到PC寄存器；计算机执行中断识别程序来查找中断服务程序的入口地址；
问题3）硬件关中断（把中断允许触发器的值设置为0）；
- 关中断的目的：避免在单重中断的机器中，在执行中断服务程序的过程中，有新的中断源会打断当前的中断服务程序的执行；
另外，即使在多重中断的cpu中，采用关中断的方式，也是为了保存程序断点，保存程序现场的一个过程；
【4.3.2】中断响应步骤
| 步骤 | 描述 |
| 1 | Cpu完成指令执行阶段后，通过硬件向量法查找中断源；各个中断源的信号送入排队器； |
| 2 | 排队器把中断源信号（只有一根线为1）送给中断标记触发器，从而把INT设置为1，而EINT设置为0； |
| 3 | 此外，排队器还要把中断信号送给向量地址形成部件，这个向量地址送给PC，为执行中断服务程序做准备；（向量地址保存了中断服务程序的入口地址） |
【5】保护现场与恢复现场
1）保护现场
- 1.1 ）保存断点：由中断隐指令（硬件）来做，包括3个步骤（保存断点，形成中断服务程序的入口地址，硬件关中断） ；
- 1.2）保存寄存器内容（由中断服务程序来做，软件）：cpu当中的一些寄存器在执行中断服务程序的时候需要用到；这些寄存器的内容也要进行保存 ；因为这些内容将来中断返回的时候，主程序还要用到；
2）恢复现场
- 2.1）由中断服务程序完成；因为中断服务程序在保存现场的时候，可以吧寄存器内容压入到堆栈中；在中断服务程序恢复现场时，可以出栈；
3）中断服务程序的工作内容包括：
- 保护现场；push指令；
- 其他服务程序（中断服务程序剩余部分）；
- 恢复现场；pop指令；
- 中断返回；IRET指令；
【6】 多重中断
【6.1】多重中断概念
【问题7】处理中断的过程中又出现新的中断，怎么办？
再问：如果新的中断源的优先级，高于当前正在处理的中断源的优先级，又要如何处理？处理过程如下：
- 处理中断1时，发生了中断2，且中断2优先级大于中断1，则停止中断1的服务程序，转而执行中断2的服务程序；
- 处理中断2时，发生了中断3，且中断3优先级大于中断2，则停止中断2的服务程序，转而执行中断3的服务程序；
- 上图中： 产生了3次中断，和3个断点，分别是 k+1, l+1, m+1 ；
【6.2】实现多重中断的条件
1）要允许cpu在执行某个中断服务程序时，响应新的中断请求；就要提前打开 EINT允许中断触发器（设置 EINT=1）；
2）是不是任何一个新的中断请求都能打断当前正在执行的中断服务？不是的；
只有高优先级的中断源才可以打断低优先级中断源；
3）中断过程如下：
| 时间 轴 | 中断 请求 | 主程序 | 中断服务程序(优先级降序) | |||
| A | B | C | D | |||
| 1 | BC | |||||
| 2 | 保存主程序断点 | |||||
| 3 | 转到中断服务程序B | 执行 | ||||
| 4 | 从B中恢复到主程序断点 | |||||
| 5 | 保存主程序断点 | |||||
| 6 | D | 转到中断服务程序C | 执行 | |||
| 7 | 从C中恢复到主程序断点 | |||||
| 8 | 保存主程序断点 | |||||
| 9 | A | 转到中断服务程序D | 执行 | |||
| 10 | 保存中断服务程序D的断点 | |||||
| 11 | 转到中断服务程序A | 执行 | ||||
| 12 | 从A恢复到中断服务程序D断点继续执行 | |||||
| 13 | 从D种恢复继续执行 | |||||
详细步骤解析如下：
- 1) 主程序在运行时，中断源BC请求中断；
- 2) 又B优先级高于C，则主程序响应B中断，保存主程序中断断点，执行B的中断服务程序；
- 3) 恢复现场到主程序；
- 4) 主程序响应中断C，保存主程序的中断断点，执行C的中断服务程序；
- 5) 在执行C的中断服务程序过程中，中断D请求中断；由C的优先级高于D，所以cpu不会理会D，而是继续执行中断C；
- 6) 恢复现场到主程序；
- 7) 主程序响应中断D，保存主程序的断点，执行D的中断服务程序；
- 8) 在执行D的过程中，中断源A请求中断；
- 9) 又A的优先级高于D；所以保存D的中断服务程序为断点，转而响应中断A，执行A的中断服务程序；
- 10) 恢复现场到D的中断服务程序；执行D的中断服务程序；
- 11) 恢复到主程序；
【补充】 中断谁就要返回到谁的执行现场；
【6.3】中断屏蔽技术
refer2 中断屏蔽技术_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客
【6.4】多重中断的断点保护
1）断点保护有2个方法：
- 方法1：断点进栈；由中断隐指令来完成；
- 方法2：断点存入0号或某个内存地址，由中断隐指令来完成；
2）在中断周期中，需要保存断点；如断点保存到0地址；
- 步骤1：把0地址送入MAR，主存地址寄存器；
- 步骤2：命令存储器写操作；
- 步骤3：把PC保存的断点值写入MDR，主存数据寄存器；之前把断点（下一条指令地址）写入0地址，断点在PC寄存器中，因为PC寄存器存储了下一条要执行的指令的地址（下一条指的是主程序或当前正在执行的程序的下一条）；
- 步骤4：把MDR的数据送入到MAR指向的内存单元中；
3）有个问题：中断周期的保存断点阶段，如果都把断点地址保存到0地址，那遇到多种中断，下一个中断周期的断点地址就会把上一个中断的断点给覆盖掉；
如何保证断点内容不丢失呢？
【6.4.3】程序断点存入0地址的断点保护
上述指令列表的执行步骤如下：
| 向量地址 | 内容 | 说明 |
| 0 | 断点内容 | 保存程序断点到0地址； |
| 5 | JMP SERVE | serve 是中断服务程序的入口地址； 中断向量形成部件把向量地址5送入pc寄存器； |
| SERVE | STA SERVE | 保存现场； 如保存acc寄存器的内容到SERVE指向的内存单元中； |
| … | ||
| LDA 0 | 把0地址的内存单元数据取出来放入acc寄存器； 0地址的内存就是程序断点； | |
| STA RETURN | 通过STA指令，把程序断点保存在RETURN单元； （通过转存把程序断点保护起来） | |
| 置屏蔽字 | 设置中断屏蔽字在开中断之前； | |
| ENI | 开中断 | |
| … | ||
| LDA SAVE | 恢复程序现场；把SAVE内存单元的内容送入acc寄存器； | |
| 恢复中断屏蔽字 | 在返回中断之前，要恢复中断屏蔽字； | |
| JMP @ RETURN | 通过一条间接跳转指令（间址寻址）； 跳转到RETURN内存单元保存的那个地址（程序断点）； | |
| SAVE | XXX | 存放ACC内容 |
| RETURN | XXX | 转存0地址内容 |
以上是关于8.4-中断系统的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章