8.4-中断系统
【README】
1.本文總結自bilibili《計算機組成原理（哈工大劉宏偉）》的視頻講解，非常棒，墻裂推薦；
2.采用一問一答的方式對中斷進行總結（中斷7問題），refer2
8.4-中斷系統(tǒng)小結（cpu響應中斷）_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客_cpu響應中斷的步驟【README】本文轉自bilibili《計算機組成原理（哈工大劉宏偉）》的視頻講解，非常棒，墻裂推薦；【1】中斷系統(tǒng)1）作用：用中斷系統(tǒng)實現了外設數據的輸入輸出； 還可以用于程序調試，計算機系統(tǒng)的異常事件，都可以用中斷系統(tǒng)來處理；2）中斷因素人為設置的中斷；程序性事故，如java異常；硬件故障，如硬盤壞道；Io設備，如數據輸入輸出；外部事件，如鍵盤中斷按鈕，調試程序；3）中斷系統(tǒng)需要解決的問題序號問題1https://blog.csdn.net/PacosonSWJTU/article/details/1235392163.本文首先給出中斷全流程：
【1】概述
【1.1】引起中斷的各種因素
0）中斷系統(tǒng)作用：
第5章，我們用中斷系統(tǒng)實現了數據的輸入輸出上；還可以用于程序調試，計算機系統(tǒng)的異常事件，都可以用中斷系統(tǒng)來處理；
1）引起中斷的各種因素
【1.2】中斷系統(tǒng)需解決的問題
| 序號 | 問題 |
| 1 | 各中斷源如何向cpu提出請求？ |
| 2 | 各中斷源同時提出請求，怎么辦？ |
| 3 | Cpu在什么條件，什么時間，以什么方式響應中斷？ |
| 4 | 如何保護現場 |
| 5 | 如何尋找入口地址？ |
| 6 | 如何恢復現場，如何返回？ |
| 7 | 處理中斷的過程中又出現新的中斷 怎么辦？ |
【2】中斷請求標記和中斷判優(yōu)邏輯
【2.1】中斷請求標記
?【問題1】多個中斷源如何提出中斷請求？
給每一個中斷源設置一個觸發(fā)器，用觸發(fā)器來標記這個中斷源是否提出了中斷請求；
（一個中斷源對應一個中斷請求觸發(fā)器INTR）多個觸發(fā)器組成了中斷請求標記寄存器；
中斷觸發(fā)器可以做在中斷源的接口電路，或做在cpu內部；
【2.2】中斷判優(yōu)邏輯
【問題2】多個中斷源同時提出中斷請求，怎么辦？
Cpu如何響應，響應對系統(tǒng)影響最大的中斷源；
對中斷源進行分級；響應優(yōu)先級最高的中斷源（對中斷源的級別進行排隊）；
排隊器可以在中斷源接口電路，或在cpu內部；
上圖由硬件實現的排隊器；也可以軟件實現排隊器；如下：
【3】 中斷服務程序入口地址的尋找
【3.1】硬件向量法
? 排隊器輸出：只有1根線是高電平1，其他全部為低電平0；
向量地址形成部件：根據排隊器輸出，確定需要響應的中斷源，從而確定執(zhí)行哪一個中斷服務程序（通過中斷向量地址確定）；
【問題3】如何尋找中斷服務程序的入口地址？（硬件向量法，或軟件查詢法）
用硬件查找中斷服務程序入口地址有兩種方法：
- 方法1： 在中斷向量地址的存儲單元中存放一條跳轉指令 如 jmp 200，則200就是中斷服務程序的入口地址；
- 方法2： 在中斷向量地址的存儲單元中存放的就是中斷服務程序的入口地址，如中斷向量地址12H，其保存的入口地址200；
【3.2】軟件查找法
用軟件如何查找中斷服務程序入口地址？
通過執(zhí)行中斷識別程序，進行查找；
利用軟件方法更加靈活；
中斷識別程序查詢步驟：
| 步驟 | 指令 | 說明 |
| 1 | SKP DZ 1# | SKP表示跳過下一條指令； 指令功能：查詢第1號中斷源的完成觸發(fā)器D；看觸發(fā)器是等于0還是等于1； |
| 2 | JMP 1#SR | 執(zhí)行中斷服務程序 |
| 3 | SKP DZ 2 | …… |
| 4 | JMP 2SR | …… |
?【4】中斷響應?
?【問題4】Cpu在什么條件，什么時間，以什么方式響應中斷？
1）cpu在什么條件下響應中斷請求 ？
- 為了表示cpu是否響應中斷請求，有一個允許中斷觸發(fā)器EINT，值=1表示允許cpu響應中斷源發(fā)出的中斷請求；
2）cpu在什么時間響應中斷請求 ？
通常情況下，cpu只有在指令的執(zhí)行階段結束以后，才能夠響應中斷請求；
但cpu的某些指令的執(zhí)行階段比較長，這種情況就允許cpu在指令執(zhí)行過程中，響應中斷請求；
問題： 為什么cpu要把響應中斷的時間放在指令執(zhí)行階段以后呢？
3）cpu響應中斷過程：
- 在指令執(zhí)行以后，cpu發(fā)送查詢信號到中斷源的中斷請求觸發(fā)器；查詢信號把中斷請求觸發(fā)器的輸出端設置為1，把中斷請求信號發(fā)送到排隊電路；
【4.3】中斷隱指令
1）中斷隱指令：說的是保存程序斷點，尋找中斷服務程序入口地址，關中斷這3個步驟是計算機硬件來完成的，并不是在某一條具體指令的驅動下完成的；即，中斷隱指令并不是指令集中的指令；但在響應中斷過程中，這些硬件操作都要執(zhí)行；??
EINT，允許中斷的R-S觸發(fā)器； （值為1，表示允許中斷）
INT，中斷標記的R-S觸發(fā)器；（值為1，表示相應中斷；只要INT設置為1，EINT就要被設置為0）?
?【4.3.1】中斷響應過程中要解決的3個問題：
問題1）保護程序斷點： 斷點就是中斷服務程序執(zhí)行完成后，返回執(zhí)行的指令；
- 方法1：斷點存到特定地址（0號地址）內；
- 方法2：斷點進棧；
問題2） 尋找中斷服務程序入口地址；
- 方法1）采用硬件向量法：把中斷向量地址發(fā)送到PC寄存器；PC中保存了向量地址，這個向量地址保存了中斷服務程序的入口地址，或跳轉指令，該指令會跳轉到中斷服務程序；
- 方法2）軟件查詢法：中斷識別程序的入口地址發(fā)送到PC寄存器；計算機執(zhí)行中斷識別程序來查找中斷服務程序的入口地址；
問題3）硬件關中斷（把中斷允許觸發(fā)器的值設置為0）；
- 關中斷的目的：避免在單重中斷的機器中，在執(zhí)行中斷服務程序的過程中，有新的中斷源會打斷當前的中斷服務程序的執(zhí)行；
另外，即使在多重中斷的cpu中，采用關中斷的方式，也是為了保存程序斷點，保存程序現場的一個過程；
【4.3.2】中斷響應步驟
| 步驟 | 描述 |
| 1 | Cpu完成指令執(zhí)行階段后，通過硬件向量法查找中斷源；各個中斷源的信號送入排隊器； |
| 2 | 排隊器把中斷源信號（只有一根線為1）送給中斷標記觸發(fā)器，從而把INT設置為1，而EINT設置為0； |
| 3 | 此外，排隊器還要把中斷信號送給向量地址形成部件，這個向量地址送給PC，為執(zhí)行中斷服務程序做準備；（向量地址保存了中斷服務程序的入口地址） |
【5】保護現場與恢復現場
1）保護現場
- 1.1 ）保存斷點：由中斷隱指令（硬件）來做，包括3個步驟（保存斷點，形成中斷服務程序的入口地址，硬件關中斷） ；
- 1.2）保存寄存器內容（由中斷服務程序來做，軟件）：cpu當中的一些寄存器在執(zhí)行中斷服務程序的時候需要用到；這些寄存器的內容也要進行保存 ；因為這些內容將來中斷返回的時候，主程序還要用到；
2）恢復現場
- 2.1）由中斷服務程序完成；因為中斷服務程序在保存現場的時候，可以吧寄存器內容壓入到堆棧中；在中斷服務程序恢復現場時，可以出棧；
3）中斷服務程序的工作內容包括：
【6】 多重中斷
【6.1】多重中斷概念
【問題7】處理中斷的過程中又出現新的中斷，怎么辦？
再問：如果新的中斷源的優(yōu)先級，高于當前正在處理的中斷源的優(yōu)先級，又要如何處理？處理過程如下：
- 處理中斷1時，發(fā)生了中斷2，且中斷2優(yōu)先級大于中斷1，則停止中斷1的服務程序，轉而執(zhí)行中斷2的服務程序；
- 處理中斷2時，發(fā)生了中斷3，且中斷3優(yōu)先級大于中斷2，則停止中斷2的服務程序，轉而執(zhí)行中斷3的服務程序；
- 上圖中： 產生了3次中斷，和3個斷點，分別是 k+1, l+1, m+1 ；
【6.2】實現多重中斷的條件
1）要允許cpu在執(zhí)行某個中斷服務程序時，響應新的中斷請求；就要提前打開 EINT允許中斷觸發(fā)器（設置 EINT=1）；
2）是不是任何一個新的中斷請求都能打斷當前正在執(zhí)行的中斷服務？不是的；
只有高優(yōu)先級的中斷源才可以打斷低優(yōu)先級中斷源；
3）中斷過程如下：
| 時間 軸 | 中斷 請求 | 主程序 | 中斷服務程序(優(yōu)先級降序) | |||
| A | B | C | D | |||
| 1 | BC | |||||
| 2 | 保存主程序斷點 | |||||
| 3 | 轉到中斷服務程序B | 執(zhí)行 | ||||
| 4 | 從B中恢復到主程序斷點 | |||||
| 5 | 保存主程序斷點 | |||||
| 6 | D | 轉到中斷服務程序C | 執(zhí)行 | |||
| 7 | 從C中恢復到主程序斷點 | |||||
| 8 | 保存主程序斷點 | |||||
| 9 | A | 轉到中斷服務程序D | 執(zhí)行 | |||
| 10 | 保存中斷服務程序D的斷點 | |||||
| 11 | 轉到中斷服務程序A | 執(zhí)行 | ||||
| 12 | 從A恢復到中斷服務程序D斷點繼續(xù)執(zhí)行 | |||||
| 13 | 從D種恢復繼續(xù)執(zhí)行 | |||||
詳細步驟解析如下：
- 1)?? ?主程序在運行時，中斷源BC請求中斷；
- 2)?? ?又B優(yōu)先級高于C，則主程序響應B中斷，保存主程序中斷斷點，執(zhí)行B的中斷服務程序；
- 3)?? ?恢復現場到主程序；
- 4)?? ?主程序響應中斷C，保存主程序的中斷斷點，執(zhí)行C的中斷服務程序；
- 5)?? ?在執(zhí)行C的中斷服務程序過程中，中斷D請求中斷；由C的優(yōu)先級高于D，所以cpu不會理會D，而是繼續(xù)執(zhí)行中斷C；
- 6)?? ?恢復現場到主程序；
- 7)?? ?主程序響應中斷D，保存主程序的斷點，執(zhí)行D的中斷服務程序；
- 8)?? ?在執(zhí)行D的過程中，中斷源A請求中斷；
- 9)?? ?又A的優(yōu)先級高于D；所以保存D的中斷服務程序為斷點，轉而響應中斷A，執(zhí)行A的中斷服務程序；
- 10)?? ?恢復現場到D的中斷服務程序；執(zhí)行D的中斷服務程序；
- 11)?? ?恢復到主程序；
【補充】 中斷誰就要返回到誰的執(zhí)行現場；
【6.3】中斷屏蔽技術
refer2? 中斷屏蔽技術_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客
【6.4】多重中斷的斷點保護
1）斷點保護有2個方法：
- 方法1：斷點進棧；由中斷隱指令來完成；
- 方法2：斷點存入0號或某個內存地址，由中斷隱指令來完成；
2）在中斷周期中，需要保存斷點；如斷點保存到0地址；
- 步驟1：把0地址送入MAR，主存地址寄存器；
- 步驟2：命令存儲器寫操作；
- 步驟3：把PC保存的斷點值寫入MDR，主存數據寄存器；之前把斷點（下一條指令地址）寫入0地址，斷點在PC寄存器中，因為PC寄存器存儲了下一條要執(zhí)行的指令的地址（下一條指的是主程序或當前正在執(zhí)行的程序的下一條）；
- 步驟4：把MDR的數據送入到MAR指向的內存單元中；
3）有個問題：中斷周期的保存斷點階段，如果都把斷點地址保存到0地址，那遇到多種中斷，下一個中斷周期的斷點地址就會把上一個中斷的斷點給覆蓋掉；
如何保證斷點內容不丟失呢？
【6.4.3】程序斷點存入0地址的斷點保護
上述指令列表的執(zhí)行步驟如下：
| 向量地址 | 內容 | 說明 |
| 0 | 斷點內容 | 保存程序斷點到0地址； |
| 5 | JMP SERVE | serve 是中斷服務程序的入口地址； 中斷向量形成部件把向量地址5送入pc寄存器； |
| SERVE | STA SERVE | 保存現場； 如保存acc寄存器的內容到SERVE指向的內存單元中； |
| … | ||
| LDA 0 | 把0地址的內存單元數據取出來放入acc寄存器； 0地址的內存就是程序斷點； | |
| STA RETURN | 通過STA指令，把程序斷點保存在RETURN單元； （通過轉存把程序斷點保護起來） | |
| 置屏蔽字 | 設置中斷屏蔽字在開中斷之前； | |
| ENI | 開中斷 | |
| … | ||
| LDA SAVE | 恢復程序現場；把SAVE內存單元的內容送入acc寄存器； | |
| 恢復中斷屏蔽字 | 在返回中斷之前，要恢復中斷屏蔽字； | |
| JMP @ RETURN | 通過一條間接跳轉指令（間址尋址）； 跳轉到RETURN內存單元保存的那個地址（程序斷點）； | |
| SAVE | XXX | 存放ACC內容 |
| RETURN | XXX | 轉存0地址內容 |
總結
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