计算机组成原理18——CPU的结构和功能2（书中重点及习题）

本系列文章是学习了网课《哈尔滨工业大学–计算机组成原理》之后，用以梳理思路而整理的听课笔记及相关思维拓展。本文涉及到的观点均为个人观点，如有不同意见，欢迎在评论区讨论。

中断系统

除了前面讲到的中断方式实现CPU和IO设备交换信息；当计算机发生意外事件时，也会进入中断以进行处理；或者说在机器的运行过程中，需要处理其中的运算结果，也需要中断，等等。

为了处理异常情况、实时控制等等，提出了中断的概念。

一般有哪些类型的中断：
1、人为设置的中断，在程序中人为设置，当出发某个条件之后，停止现行程序而转入中断处理。
2、程序性事故，定点溢出、浮点溢出、操作码不能识别等等，由于程序设置不当而引起的中断。
3、硬件故障，插件接触不良、通风不良、电源掉电等，硬件设备故障。
4、IO设备，IO设备被启动之后，准备就绪，向CPU发出中断请求。
5、外部事件，比如用户通过键盘来中断现行程序属于外部事件。

中断系统需要解决的问题：
1、各中断源如何向CPU提出中断请求
2、当多个中断源同时提出中断请求时，如何确定响应的顺序
3、CPU在什么条件、什么时候、什么方式来响应中断
4、CPU响应中断后如何保护现场
5、CPU响应中断后，如何停止原程序的执行而转入中断服务程序的入口地址
6、中断服务结束之后，CPU如何恢复现场，如何返回到原程序的间断处
7、在中断中又产生中断，该如何处理

中断请求标记和中断判优逻辑

中断请求标记寄存器列出了各种类型的中断，当标记变成1的时候，表明对应的中断源提出了中断请求。

可以看到，中断请求触发器越多，计算机的处理中断的能力越强。
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在同一时刻可能接收到多个中断源的请求，但是一个中断系统在任一时刻，只能响应一个中断源的请求。中断系统必须对多个中断源请求进行判断、排序，根据若不响应该中断，将会对计算机造成损坏的严重程度进行排序。有两种排队方式：

1、硬件排队
下图中，按照中断优先级的高低进行排队，优先级高的设备产生中断请求之后，会封住其它低优先级的设备产生的中断请求。

2、软件排队
通过程序编写，从高到低查询。

中断服务程序入口地址的寻找

确定中断的响应优先级之后，也就是确定了响应哪一个中断，之后就需要去寻找中断源对应的中断程序了。有两种方式：

1、硬件查询法，上述的中断判优之后，会产生一个中断向量，这个中断向量相当于确定了中断源之后，产生的一个输出结果。这个中断向量会引导我们找到中断服务程序的入口地址。
向量地址可以放一条无条件转移指令，比如中断之后，将12H送至PC，PC执行会直接跳转到中断服务函数中；
或者12H中放中断程序的地址，将这个地址传入PC，再去执行。
在单片机中经常可以看到这个中断向量表。具体是上面两种方式中的哪一个，我还没研究过。

2、软件查询法
用软件方式一个一个查询，从优先级高的向低的查，当查到某一中断源有请求时，安排一条转移指令，直接指向该中断源的中断服务程序入口地址，机器自动进入中断处理。

中断响应

CPU不是一有中断即可相应的，它是定时查询。
中断系统中有一个允许中断触发器EINT，当EINT为1时，有中断请求，CPU可以响应；当EINT为0时，CPU不响应中断。

一般来说，定时查询在CPU指令执行周期结束之后，指令执行周期接收后，若有中断，CPU则进入中断周期；若无中断，则进入下一条指令的取指周期。

如果说计算机中经常指令周期执行时间很长，CPU会安排查询断点定时发送查询信号。

当CPU响应中断后，进入中断周期，在这个过程中，CPU会自动完成一系列操作，不需要人为控制。
你也控制不了，这一系列操作没有对应的指令，由硬件自动完成，一般称之为中断隐指令。

自动操作，具体如下：
1、保护程序断点，即将当前PC内容保存起来，方式不限，存储器也好，堆栈也好。
2、寻找中断服务程序的入口地址，有两种方式，硬件向量法和软件查询法
3、关中断，为了确保响应了一个中断源之后，后续操作不会被干扰，在中断周期内需要先关中断，防止CPU在中断周期内一直响应中断。

保护现场和恢复现场

中断现场需要：保护程序断点、保护CPU内部各寄存器内容的现场。
程序断点由中断隐指令完成，寄存器的现场可以由用户实现。

恢复现场由中断服务程序完成。
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中断屏蔽技术

多重中断

当CPU在执行某个中断服务程序时，又有另外一个中断源提出了新的中断请求；但是这个CPU又响应了这个中断请求，暂停了目前的中断服务程序，转而去执行新的中断服务程序，称之为多重中断。

若CPU执行一个中断时，对其它的中断不做响应，称之为单重中断。
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实现多重中断的条件

1、提前开中断
上面讲到中断周期，硬件自动操作中断隐指令的时候，会关中断，此时不允许CPU响应新的中断请求；所以要想实现多重中断，需要在中断周期之后，中断程序保护完现场之后，开启中断，这样在执行中断服务程序的时候，才可以响应新的中断。

2、优先级别高的中断源可以中断其它中断优先级别低的中断源
优先级别：A > B > C > D
先出现的是，B和C，先响应B，再去执行C
B执行完之后，接着去执行C，这是产生了D，但是级别比C低，不响应，C执行完之后，再去执行D
此时又出现了A，A级别高于D，响应A，执行完成A之后，再接着执行D
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屏蔽技术

1、屏蔽触发器和屏蔽字
排队器中，每个中断源加入屏蔽触发器MASK，当MASK = 1时，该中断源无法产生中断请求（INTP = 0）；当MASK = 0时，该中断源才可以产生中断请求。
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下面的屏蔽字对应于MASK。
比如说1级中断源被响应了，那我就设置一个1级屏蔽字，会屏蔽所有的中断源。
比如我4级中断源被响应了，那我设置一个4级屏蔽字，1-3位是0，没有被屏蔽，表明依然可以被1-3优先级的中断源打断，但是比4低的中断源全部被屏蔽了，无法被低优先级的中断源打断。
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2、屏蔽技术改变优先等级
优先级包含响应优先级和处理优先级。
响应优先级是CPU响应各中断源请求的优先次序，这种次序是硬件线路决定的，不便于改动。
处理优先级是CPU实际对中断源请求的处理次序，可以采用屏蔽技术改变，如果不采用屏蔽技术，处理的次序就是响应的次序。

下面是一个采用屏蔽技术的例子：
原屏蔽字：处理顺序（屏蔽字的级别）为A> B > C > D，现改为A> D > C > B
响应优先级为A> B > C > D

现在ABCD同时提出中断请求
先按照中断级别的高低，去处理A，A的屏蔽字是1111，屏蔽所有中断源，所以A响应之后，并执行完成回到主程序
B的响应优先级高于C、D，所以B被响应，但是B的屏蔽字为0100，可以被A、C、D打断，这时又C和D两个中断请求，但是C的响应优先级高于D，所以C被响应
C被响应之后，其屏蔽字为0110，可以被A和D打断，这时A执行完，D还在发中断请求，所以C又被D打断，D被响应
D被响应之后，设置屏蔽字0111，可以被A打断，但是A执行完成了，所以D可以安安心心的执行，直到执行完成D，返回到C
C执行完成之后，返回到B，最终B执行完成，返回到主程序。