程序中断方式

概述

计算机在执行程序得过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序（（正在运行的程序）），转向对这些异常情况或特殊请求得处理，处理后再返回到现行程序的间断处。

由于CPU和IO设备速度的不匹配，CPU通常要等待一段时间，才能实现主机与IO设备之间的信息交换。所以当CPU启动了IO设备之后，就转去执行现行程序，让IO设备准备好后主动通知（中断）CPU，CPU转去执行中断程序，进行数据交换。这就是IO中断。

打印机的中断

中断方式的电路

中断请求触发器和中断屏蔽触发器

每台外部设备都必须配置一个中断请求触发器INTR，当其为“1”时，表示该设备向CPU提出中断请求。同时也需要一个配对的 中断屏蔽器，用于屏蔽一些低优先级的中断请求（面对多个中断请求时），当它为“1”时，表示封锁其中断源。其电路逻辑图如下所示

接口电路中D、INTR、MASK和中断查询信号的关系

当设备准备就绪D为“1”、且该设备MASK不为“0”时，由CPU在指令执行结束阶段时，由CPU发出中断查询信号，将INTR设置为“1”

排队器

当多个中断源同时向CPU发出请求时，CPU会根据中断源的不同性质对其排队，给予不同等级的优先权，并按优先级等级给予响应。

通常来说速度越快的IO设备，优先级越高，因为不及时响应高速的IO请求，信息可能会发生丢失。

排队器分为硬件排队器和软件排队器：这里只介绍硬件排队器，下图是硬件排队器的电路

链式排队器

当各个中断源无请求时，各个INTR-均为高电平。一旦某个中断源提出中断请求时，就会让优先级低的中断源变为低电平，封锁其中的中断请求。比如当2、3号中断源同时有请求时（INTR2-、INTR3-均为0），流程如图所示

链式排队器距离图

INTRi- 没有提出请求时均为高电平，根据例子，二、三号中断源提出请求，二、三号输入低电压，由于二号经过与非门输出高电压，经过三号的非门，输出低电压，让三号无法被选。此时因为INTP1‘和INTP2‘输出都为高电压，又通过INTPi来和输出信号进行与运算，最终输出INTP2

中断向量地址形成部件（设备编址器）

CPU一旦响应了IO中断，就要暂停现行程序，转去执行该设备的中断服务程序。不同的设备有不同的中断服务程序，每个服务程序都有一个入口，而CPU需要通过设备编址码找到中断服务程序实际所在的位置。

设备编址码的输入是来自排队器的输出INTPi，它的输出是中断源的位置

设备编码器

比如编址器输出12H，CPU就能从主存的12H的位置查找（假设是统一编址），找到对应的中断服务程序的入口地址

IO中断处理过程

中断的条件和时间

  1. CPU中的EINT(允许中断触发器)为“1”，该触发器用开中断置位，用关中断使其复位
  2. CPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段的结束时刻

接下来以输入设备为例，结合流程示意图进行讲解，流程图如下所示
中断流程图

当选中设备后，设备选择电路发出SEL信号

  1. CPU发出启动命令，将触发器B置为“1”，D为“0”
  2. 接口启动输入设备，设备开始工作
  3. IO设备将数据送入数据缓冲寄存器
  4. 当输入设备发出设备工作结束信号后，D被置为“1”，B被置为“0”，标志设备准备就绪
  5. 当设备准备就绪，且本设备未被屏蔽时，在指令执行结束阶段，CPU会发出中断查询信号
  6. 设备中断请请求触发器INTR被置为“1”，向CPU提出中断请求，INTR送至排队器，进行中断判优
  7. 若CPU允许中断（ENIT=1），设备又被排队选中，即进入中断响应阶段，由中断响应信号INTA将排队器输出送至编码器形成的向量地址
  8. 向量地址送至CPU，作为下一条指令的地址
  9. 向量地址里存放的是无条件转移指令（看中断流程图），待转移指令执行完毕，就转去对应设备的服务程序入口地址，开始执行中断服务程序，通过输入指令将数据缓冲寄存器的输入数据送至CPU的通用寄存器，再存入主存相关单元
  10. 中断服务程序的最后一条指令是中断返回指令，当其执行结束时，中断返回至原程序的断点处。

中断服务程序的流程

总共分为四个阶段

  1. 保护现场
  2. 中断服务
  3. 恢复现场
  4. 中断返回

保护现场

其一是保存程序的断点，其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内容。前者涉及到中断隐指令，后者由中断服务程序完成。中断服务程序会在程序的起始部分安排若干条存数指令，将寄存器的内容存至存储器中保存；或者用进栈指令将各个寄存器的内容压入堆栈中保存。

中断服务

不同的设备中断服务不一样，比如打印机要求CPU将需要打印的字符代码送入打印机的缓冲器内；显示器设备要求CPU将需要显示的字符代码送入显示存储器中

恢复现场

在中断服务程序退出前，将中断的现行程序恢复回来。通常可用取数指令或出栈指令，将保存在存储器中的信息送回到原来的寄存器中

中断返回

中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处

单重中断和多重中断

当CPU响应了一个中断源的中断请求后，EINT会被置为“0”，无法让其他中断源继续请求。对于单重中断，在保护完现场后，即刻去执行设备服务，直到恢复完现场后，才将EINT置为“1”并返回。而对于多重中断来说，在保护完现场后，就立刻将EINT设置为“1”，允许其他中断源插入中断请求。示意图如下所示

单重中断和多重中断

多重中断就和方法里面再调用其他方法一样，如下图所示
嵌套调用

总结

从宏观上看，中断方式克服了程序查询方式的原地踏步，CPU和IO设备是并行操作的，提高了CPU的资源利用率

从微观上看，CPU在处理中断服务程序时仍然需要暂停原程序的运行，尤其是当高速IO或辅助存储器频繁地与主存交换信息时，需要不断打断CPU执行主程序而执行中断服务程序。

主程序和服务程序抢占CPU资源

为了完善中断程序，人们提出了DMA控制方式。