深入理解中断处理程序：原理、实现与应用

# 深入理解中断处理程序：原理、实现与应用 ## 1. 中断概述 中断是一种信号，它会使计算机的中央处理器（CPU）暂停当前正在执行的任务，并转移到一个名为中断处理程序的程序中。为了实现高速处理，专门设计了特殊的硬件机制来强制进行这种转移。中断处理程序的主要任务是确定中断的原因，采取相应的措施，然后将控制权交还给被暂停的原始进程。 ### 1.1 中断的常见原因 中断通常由中央处理器外部的事件引发，这些事件需要立即得到处理，常见的原因包括： - 输入/输出（I/O）操作完成。 - 检测到硬件故障。 - 发生“灾难性”事件，如电源故障。 ### 1.2 多中断类型与优先级 为了更高效地处理中断，大多数现代处理器支持多种中断类型或级别。每种中断类型通常在内存中有一个预留位置，称为中断向量，它指定了该中断类型的处理程序所在的位置。这种设计加快了中断处理速度，因为计算机可以直接将控制权转移到相应的例程，而不需要一个中央例程来浪费宝贵的机器周期来确定中断的原因。此外，中断类型的概念还允许对中断进行优先级排序，以便在多个中断同时发生时，能够首先处理最重要的中断。 ### 1.3 中断屏蔽与优先级管理 支持中断的CPU在执行关键代码段时必须具备屏蔽中断的能力。有时，CPU可以选择性地屏蔽中断级别，但更常见的是全局屏蔽。在处理一个中断时，CPU会屏蔽所有相同或更低优先级的其他中断，直到当前活动的处理程序执行完毕。同样，如果有更高优先级的不同中断需要处理，CPU可以抢占当前处理程序的执行。一些CPU甚至可以区分选择性屏蔽中断（中断被识别，但处理被推迟）和简单禁用中断（中断被丢弃）。 ## 2. 编写中断处理程序的准备工作 一个准备处理中断的程序必须执行以下步骤： 1. **禁用中断**：如果之前已启用中断，在修改中断向量时禁用它们，以防止中断发生。 2. **初始化中断向量**：将感兴趣的中断向量初始化为指向程序的中断处理程序。 3. **确保其他向量有效**：如果之前已禁用中断，确保所有其他向量都指向某个有效的处理程序例程。 4. **重新启用中断**：完成上述步骤后，重新启用中断。 ## 3. 中断处理程序的执行步骤 中断处理程序本身必须遵循一个简单但严格的步骤序列： 1. **保存系统上下文**：保存处理器寄存器、标志以及处理程序将修改且CPU未自动保存的任何其他内容。 2. **屏蔽可能干扰的中断**：阻止在处理此中断期间可能导致干扰的任何中断。这通常由计算机硬件自动完成。 3. **启用允许的中断**：启用在处理此中断期间仍应允许发生的任何中断。 4. **确定中断原因**：找出导致中断的具体事件。 5. **采取适当行动**：根据中断原因执行相应的操作，例如从串行端口接收和存储数据、设置标志以指示磁盘扇区传输完成等。 6. **恢复系统上下文**：将之前保存的系统上下文恢复到处理器中。 7. **重新启用被屏蔽的中断**：恢复在处理此中断期间被屏蔽的任何中断级别。 8. **恢复被中断进程的执行**：将控制权交还给被中断的原始进程，使其继续执行。 ## 4. 编写中断处理程序的注意事项 编写中断处理程序的关键在于防御性编程，确保覆盖所有可能的情况。中断处理程序之所以具有神秘的声誉，主要是因为当它们包含隐晦的错误时，调试非常困难。由于中断可以异步发生，即它们可以由外部事件引发，而与当前正在执行的进程的状态无关，因此中断处理程序中的错误可能导致整个系统的行为变得非常不可预测。 ## 5. Intel 80x86 系列处理器的中断 ### 5.1 支持的中断级别与触发事件 Intel 80x86 系列微处理器支持 256 级优先级中断，这些中断可以由三种类型的事件触发： - 内部硬件中断 - 外部硬件中断 - 软件中断 ### 5.2 内部硬件中断 内部硬件中断有时也称为故障，是在程序执行期间遇到某些事件时生成的，例如试图除以零。这些事件与特定中断编号的分配是硬编码在处理器中的，不可修改。以下是 Intel 8086/88、80286 和 80386 微处理器的内部中断（故障）列表： | 中断级别 | 向量地址 | 中断触发 | 8086/88 | 80286 | 80386 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 00H | 00H - 03H | 除以零 | X | X | X | | 01H | 04H - 07H | 单步执行 | X | X | X | | 02H | 08H - 0BH | 不可屏蔽中断（NMI） | X | X | X | | 03H | 0CH - 0FH | 断点 | X | X | X | | 04H | 10H - 13H | 溢出 | X | X | X | | 05H | 14H - 17H | BOUND 超出 | X | X | | | 06H | 18H - 1BH | 无效操作码 | X | X | | | 07H | 1CH - 1FH | 处理器扩展不可用 | X | X | | | 08H | 20H - 23H | 双重故障 | X | X | | | 09H | 24H - 27H | 段溢出 | X | X | | | 0AH | 28H - 2BH | 无效任务状态段 | X | X | | | 0BH | 2CH - 2FH | 段不存在 | X | X | | | 0CH | 30H - 33H | 堆栈段溢出 | X | X | | | 0DH | 34H - 37H | 通用保护故障 | X | X | | | 0EH | 38H - 3BH | 页面故障 | X | | | | 0FH | 3CH - 3FH | 保留 | | | | | 10H | 40H - 43H | 数字协处理器错误 | X | X | | | 11H - 1FH | 44H - 7FH | 保留 | | | | ### 5.3 外部硬件中断 外部硬件中断由外围设备控制器或协处理器（如 8087/80287）触发。这些中断可以连接到 CPU 的不可屏蔽中断（NMI）引脚或可屏蔽中断（INTR）引脚。NMI 线通常用于处理诸如内存奇偶校验错误或电源故障等灾难性事件引起的中断。 外部设备的中断可以通过一个名为 Intel 8259A 可编程中断控制器（PIC）的设备进行传输。CPU 通过一组 I/O 端口控制 PIC，而 PIC 则通过 INTR 引脚向 CPU 发出信号。PIC 允许在程序控制下启用和禁用特定设备的中断，并调整它们的优先级。 单个 PIC 只能处理八个级别的中断，但可以将多个 PIC 以树状结构级联在一起，以处理任意数量的中断级别。例如，基于 80286 和 80386 的具有 PC/AT 兼容架构的机器使用两个连接在一起的 PIC 来获得 16 个可单独配置的中断级别。 INTR 中断可以使用 CPU 的 STI 和 CLI 指令进行全局启用和禁用。正如预期的那样，这些指令对 CPU 的 NMI 引脚接收到的中断没有影响。计算机系统制造商和/或外围设备制造商将外部设备分配到特定的 8259A PIC 中断级别。这些分配是通过物理电气连接实现的，不能通过软件修改。 ### 5.4 软件中断 任何程序都可以通过执行 INT 指令同步触发软件中断。MS-DOS 使用 20H 到 3FH 的中断来与其模块和应用程序进行通信。例如，通过执行 Int 21H 可以访问 MS-DOS 函数调度程序。IBM PC ROM BIOS 和应用程序软件使用其他编号更高或更低的中断来实现各种目的。这些分配只是约定，并没有以任何方式硬编码到硬件中。 ### 5.5 中断使用表 以下是 IBM PC、PC/AT 和 PS/2 及兼容计算机上具有特殊意义的中断列表： | 中断 | 使用 | 机器 | | ---- | ---- | ---- | | 00H | 除以零 | PC, AT, PS/2 | | 01H | 单步执行 | PC, AT, PS/2 | | 02H | NMI | PC, AT, PS/2 | | 03H | 断点 | PC, AT, PS/2 | | 04H | 溢出 | PC, AT, PS/2 | | 05H | ROM BIOS PrintScreen | PC, AT, PS/2 | | | BOUND 超出 | AT, PS/2 | | 06H | 保留 | PC | | | 无效操作码 | AT, PS/2 | | 07H | 保留 | PC | | | 80287/80387 不存在 | AT, PS/2 | | 08H | IRQ0 定时器滴答 | PC, AT, PS/2 | | | 双重故障 | AT, PS/2 | | 09H | IRQ1 键盘 | PC, AT, PS/2 | | | 80287/80387 段溢出 | AT, PS/2 | | 0AH | IRQ2 保留 | PC | | | IRQ2 从从 8259A PIC 级联 | AT, PS/2 | | | 无效任务状态段 (TSS) | AT, PS/2 | | 0BH | IRQ3 串行通信 (COM2) | PC, AT, PS/2 | | | 段不存在 | AT, PS/2 | | 0CH | IRQ4 串行通信 (COM1) | PC, AT, PS/2 | | | 堆栈段溢出 | AT, PS/2 | | 0DH | IRQ5 固定磁盘 | PC | | | IRQ5 并行打印机 (LPT2) | AT | | | 保留 | PS/2 | | | 通用保护故障 | AT, PS/2 | | 0EH | IRQ6 软盘 | PC, AT, PS/2 | | | 页面故障 | AT, PS/2 | | 0FH | IRQ7 并行打印机 (LPT1) | PC, AT, PS/2 | | 10H | ROM BIOS 视频驱动程序 | PC, AT, PS/2 | | | 数字协处理器故障 | AT, PS/2 | | 11H | ROM BIOS 设备检查 | PC, AT, PS/2 | | 12H | ROM BIOS 常规内存大小 | PC, AT, PS/2 | | 13H | ROM BIOS 磁盘驱动程序 | PC, AT, PS/2 | | 14H | ROM BIOS 通信驱动程序 | PC, AT, PS/2 | | 15H | ROM BIOS 磁带驱动程序 | PC | | | ROM BIOS I/O 系统扩展 | AT, PS/2 | | 16H | ROM BIOS 键盘驱动程序 | PC, AT, PS/2 | | 17H | ROM BIOS 打印机驱动程序 | PC, AT, PS/2 | | 18H | ROM BASIC | PC, AT, PS/2 | | 19H | ROM BIOS 引导程序 | PC, AT, PS/2 | | 1A