考研笔记

程序中断方式

这一节和 5.5.3 讲的是同一件事的两侧。

王道教材把中断的完整机制——响应条件、中断隐指令、中断向量、判优电路、屏蔽字、嵌套——放在第 7 章这一节讲，而它们的原理属于第 5 章的 CPU。本笔记按原理归位：机制在 5.5.3 讲一次，这一节只讲它在 I/O 里的样子。

所以本节的定位是： 前半段快速对接 5.5.3 已有的结论，后半段写三样 5.5.3 没写的东西——中断识别的两条路线、中断服务程序的四段骨架、以及中断方式的性能计算。

机制

与 5.5.3 的分工

内容在哪讲
中断的定义、为什么在指令边界响应5.5.1
内中断/外中断分类、硬件软件分工5.5.2
响应四条件、中断隐指令三件事、中断向量三个名字5.5.3
判优三方式、响应/处理优先级、屏蔽字、嵌套、完整时序5.5.3
中断请求的硬件来源（INTR/MASK 触发器）7.2.2
中断识别：向量中断与非向量中断本节
中断服务程序的四段骨架本节
中断方式的 CPU 占用率计算本节

一次 I/O 中断的完整时间轴

flowchart TD
    A["CPU 写控制端口<br/>启动设备 + 开中断"] --> B["CPU 转去执行别的程序<br/>★ 与设备并行"]
    B --> C["设备完成，D 置 1<br/>→ INTR 置 1"]
    C --> D{"MASK = 0？"}
    D -->|"是"| E["向 CPU 发 INT 请求"]
    D -->|"否"| P["挂起，等解除屏蔽"]
    E --> F["CPU 在<b>当前指令结束</b>时<br/>检测到请求"]
    F --> G["中断判优：选出优先级最高者"]
    G --> H["中断隐指令（硬件）<br/>①关中断 ②保存断点 ③引出服务程序"]
    H --> I["中断识别：找到服务程序入口"]
    I --> J["中断服务程序（软件）<br/>①保护现场 ②<b>传送一个字</b><br/>③恢复现场 ④中断返回"]
    J --> K["返回断点，继续原程序"]

    classDef hw fill:#ffcdd2,stroke:#b71c1c,stroke-width:2px
    classDef sw fill:#c8e6c9,stroke:#1b5e20,stroke-width:2px
    classDef norm fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0
    classDef pend fill:#eceff1,stroke:#546e7a,stroke-dasharray:4 3
    class C,D,E,F,G,H,I hw
    class A,J sw
    class B,K norm
    class P pend

红色的全是硬件自动完成，绿色的是软件。 分界线正好落在中断隐指令和中断服务程序之间——这是本节最重要的一条线。

注意 J 框里那句”传送一个字”：中断方式一次中断只传送一个字（或一小批），而不是一整块。 每传一个字就要中断一次、保护一次现场、恢复一次现场——这正是中断方式的开销所在，也是 DMA 存在的理由。

中断识别：向量中断与非向量中断

疑问点：中断识别的方法——向量中断和非向量中断分别是什么

先说这个问题在解决什么。

CPU 响应中断之后面临一个具体困难：它知道”有中断来了”，但不知道”是哪个设备来的”，因而不知道该跳到哪段服务程序去。中断识别就是回答”是谁”这一步。

两条路线，区别只在于”是谁”这件事由硬件查还是软件查：

向量中断非向量中断
谁给出中断源身份硬件（中断源自己送出中断类型号）软件（服务程序逐个查状态位）
入口地址怎么来查中断向量表，一步到位先进统一的公共服务程序，再查
每个中断源有各自的服务程序入口共用一个总入口
速度快，与中断源数量无关慢，最坏要查遍所有设备
硬件成本需要向量表和硬件排队电路低
优先级怎么定由判优电路（硬连线）决定由查询顺序决定，改代码就能改

向量中断的三步链（详见 5.5.3 的”三个名字”）：

中断类型号表项大小基址中断向量地址访存查表中断向量（入口地址）

非向量中断则是：

请求固定的公共入口软件依次读各接口状态端口谁的就转谁

一处口径要统一。 5.5.3 里把这两种叫作「向量中断 / 查询中断」，教材和多数资料叫「向量中断 / 非向量中断」。这是同一个二分的两套叫法：

  • 「非向量」是从结果说的——不用向量表。
  • 「查询」是从手段说的——用软件轮询。

考试两种叫法都可能出现，认准”入口地址是硬件直接给的还是软件查出来的”这个判据就不会错。

一个容易被忽略的联系：非向量中断的”逐个查询”和 7.3.1 的程序查询方式，是同一个动作出现在两个不同的位置。

程序查询方式非向量中断的识别
查什么设备就绪了没有是哪个设备发的中断
什么时候查一直查，直到就绪中断已经来了才查，查一遍就结束
代价CPU 全程忙等只在中断发生后查一次

所以”非向量中断 = 退化成查询方式”是错的。 它只是在识别这一步用了软件查询，而”等待设备就绪”这一步仍然是设备主动通知的——省下来的忙等时间一点没少。

中断服务程序的四段骨架

任何一个中断服务程序都是这四段，顺序固定：

段做什么谁做
① 保护现场把要用到的通用寄存器压栈软件（服务程序的第一批指令）
② 中断服务真正的设备处理：读/写一个数据端口，更新计数和地址软件
③ 恢复现场把通用寄存器出栈软件
④ 中断返回执行 IRET，恢复断点（PC、PSW）并开中断硬件（由指令触发）

边界辨析：保存断点 vs 保护现场

这两个词长得像，做的事也像，但由不同的角色在不同的时刻完成——这是本章被考得最狠的一对。

保存断点保护现场
保存什么PC、PSW（程序状态字）通用寄存器（、ACC 等）
谁做硬件（中断隐指令的第二步）软件（中断服务程序的第一段）
什么时候进入服务程序之前进入服务程序之后
能不能省不能，省了就回不去能省一部分——只需保存服务程序会用到的那些
恢复由谁中断返回指令 IRET（硬件）服务程序末尾的出栈指令（软件）

为什么必须分成两段做？

因为硬件不知道服务程序会用到哪些寄存器。如果让隐指令把全部通用寄存器都压栈，大多数情况下都是白压——一个只读一字节的服务程序可能只动了两个寄存器。而 PC 和 PSW 是无论如何都必须立刻保存的：PC 马上就要被改成服务程序入口，晚一步就丢了。

所以分界线是：“马上就会被覆盖的，硬件立刻存；可能会被覆盖的，交给软件按需存。”

这个”硬件保证最小必需、软件负责按需扩展”的分工，与 5.5.3 里”硬件只保证保存断点这段不被打断，开中断的时机交给软件”是同一种设计哲学。

顺带解决嵌套：中断服务程序里如果要允许更高优先级中断打断自己，必须在①保护现场完成之后才能开中断。反过来，③恢复现场之前要先关中断。“开中断”和”关中断”这两条指令的位置，正好把②夹在中间——这是嵌套的两个条件之一，另一个（屏蔽字）见 5.5.3。

中断隐指令在 I/O 里的位置

疑问点：中断隐指令是什么

5.5.3 已经把它讲透了：它做三件事——①关中断 ②保存断点 ③引出中断服务程序，顺序不能换。 这里只补三点 I/O 视角的东西。

第一，“隐”到底隐在哪。 它没有操作码、不在主存里、程序清单上找不到它、汇编也写不出它。它是 CPU 在响应中断时自动执行的一组硬件操作，“指令”这个词只是借来描述”一组不可分割的动作”。

对比一下就清楚了：

普通指令中断隐指令
有操作码吗有没有
存在主存里吗是不存在，是硬件时序
谁触发程序顺序执行中断响应
能否被程序员写出能不能

第二，它和中断识别的先后。 隐指令的第三步”引出中断服务程序”，本身就要用到中断识别的结果——向量中断下这一步是硬件查向量表，非向量中断下这一步是跳到公共入口。所以”中断识别”不是隐指令之外的第四件事，它就发生在第三步里面。

第三，它不负责什么。 隐指令不保护现场（那是服务程序做的）、不判优（判优在它之前）、不返回（返回是 IRET）。把这三件事划出去之后，隐指令就只剩那三步了，很难再记错。

一句话：判优在前，隐指令居中，服务程序在后；隐指令是硬件与软件的交接点。

判优不是识别

这两个词在同一段流程里紧挨着出现，极易混。

中断判优（仲裁）中断识别
回答什么问题多个同时来，先响应谁响应的这个，是谁发的
什么时候响应之前响应之后（隐指令第三步）
前提有多个中断源同时请求哪怕只有一个中断源也要做
怎么做链式查询 / 计数器定时查询 / 独立请求（5.5.3）向量中断 / 非向量中断（本节）
结果选出一个中断源得到服务程序入口地址

顺序永远是：判优 → 响应 → 隐指令 → 识别 → 服务程序。

一个反例可以彻底分开它们：只有一个设备发中断时，不需要判优，但仍然需要识别——CPU 还是得知道跳到哪去。“只有一个中断源就不用识别”是错的。

再补一句，“多个请求者争一个资源”这个模式在本书里已经是第五次出现了：中断判优、总线仲裁、令牌环、以太网 CSMA/CD，加上下一节的 DMA 与 CPU 争总线。分界线仍然是”事前预约还是事后补救”——前四个都是事前预约，只有 CSMA/CD 是事后补救。

中断方式的 CPU 占用率

模板与 7.3.1 完全相同，只是把”每次传送的指令数”换成”一次中断的总开销”。

已知：设备传输率 （B/s）、每次中断传送 （B）、一次中断的完整开销为 个时钟周期（含隐指令、保护/恢复现场、传送、返回）、主频 。

算例。 磁盘传输率 ，每次中断传送 ，一次中断开销 个时钟周期，主频 ：

把 从 4 B 提到 512 B（成批传送）， 立刻降到 。

这个数字就是 DMA 的动机：中断方式的开销与传送次数成正比，而传送次数 = 数据量 ÷ 每次传送量。 想降开销只有两条路——要么增大每次的传送量（成批中断），要么干脆别让 CPU 参与搬运（DMA）。

边界

说法判断理由
”中断方式下数据不经过 CPU”❌仍由 CPU 在服务程序里搬
”中断隐指令负责保护现场”❌它只保存断点（PC、PSW）
“保护现场由硬件完成”❌软件，服务程序的第一段
”只有一个中断源就不需要中断识别”❌仍需要，识别与判优是两回事
”非向量中断退化成了程序查询方式”❌只在识别这一步查，等待仍是设备通知
”向量中断的优先级可以由软件修改”❌由判优电路定；非向量中断的优先级才能靠改查询顺序修改
”中断向量就是中断服务程序的入口地址”✅三个名字见 5.5.3
”中断向量地址就是中断服务程序入口地址”❌它是向量表里那一项的地址，差一次访存
”中断服务程序里必须先开中断才能保护现场”❌反了：先保护现场，再开中断
”中断方式提高了数据传输率”❌提高的是 CPU 利用率

对照速查

阶段谁做做什么
判优硬件多个中选一个
响应硬件指令结束时检测到
中断隐指令硬件关中断 → 保存断点 → 引出服务程序
识别硬件（向量）/ 软件（非向量）找到入口地址
服务程序软件保护现场 → 服务 → 恢复现场 → 返回
识别方式入口怎么来优先级由谁定
向量中断硬件查向量表判优电路，硬连线
非向量中断软件查状态位查询顺序，软件可改
中断

考点

  • 保存断点 vs 保护现场——本章第一高频，硬件/软件、之前/之后、PC-PSW/通用寄存器三组对照。
  • 向量中断与非向量中断的六点对照。
  • 判优与识别的区分，尤其”只有一个中断源也要识别”。
  • 中断向量、中断向量地址、中断类型号三者的层次（5.5.3）。
  • 中断方式 CPU 占用率计算，以及”增大每次传送量能降开销”这一推论。

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