计算机体系结构-通用特性解析

### 计算机体系结构 - 通用特性解析 #### 1. 中断机制概述 中断是第三代计算机实现的第四大编程概念。对于 CPU 而言，中断待处理信号可能来自内部或外部。CPU 要接受待处理的中断请求，F 寄存器中的 IF（中断允许标志）位必须置 1。当此条件满足时，硬件机制被激活，迫使当前程序放弃控制权；若 IF 位为 0，CPU 会暂时忽略该中断信号，且中断待处理信号在 CPU 采取进一步行动前不会消失。 中断硬件机制激活时，CPU 会进行上下文切换。在微型计算机中，CPU 切换 PC（程序计数器）和 SR（状态寄存器），称为部分上下文切换；在大型机中，切换整套工作寄存器的过程称为完全上下文切换。不过，真正完整的运行环境还包括内存中的代码和磁盘上的数据。任务被定义为由操作系统分配资源的基本计算单元。中断发生时，CPU 保存当前任务的旧环境，并从低内存地址（即中断向量）加载新环境。中断对于保护系统免受崩溃和提高吞吐量是必要的，有了中断，CPU 操作和 I/O 操作可以同时进行。 #### 2. 中断类型及优先级 不同类型的中断具有不同的优先级，以确保系统能合理处理各种中断情况。以下是 IBM 大型机中断的优先级列表： | 中断类型 | 优先级 | | --- | --- | | 机器检查（MC） | 4（最高） | | 程序检查（PC） | 3 | | 管理调用（SVC） | 3 | | 外部 | 2 | | I/O | 1（最低） | - **机器检查（MC）**：具有最高优先级。当机器检测到硬件故障时，所有计算应暂停。MC 的中断服务例程（ISR）会显示消息，提示操作员运行更多诊断程序，必要时寻求帮助。机器正常工作后，所有被中断的程序应重新运行。 - **程序检查（PC）**：与 SVC 优先级相同，因为它们互斥，不会同时发生。当检测到编程错误，如用户尝试用整数除以零或执行非法操作码时，CPU 硬件会触发中断。 - **管理调用（SVC）**：是一种特殊指令，用于触发硬件中断机制。执行 SVC 后，控制权传递给操作系统，由操作系统执行相应服务。SVC 指令类似于子程序调用，但会保存 SR。例如，程序需要读取键盘输入时，会向操作系统发出系统调用作为 I/O 请求。系统调用、管理调用、陷阱调用和 int（中断）含义相同。服务完成后，操作系统通常将控制权返回给调用后的下一条指令。 - **外部**：由外部设备（如实时时钟、其他计算机、仪器等）产生的信号。如果外部信号重要，应赋予较高优先级。微型计算机支持一种名为 NMI（不可屏蔽中断）的外部中断，其优先级高于任何 I/O 中断，这在信号来自紧急实时设备时非常合理。 - **I/O**：由 I/O 控制器生成的 I/O 完成中断信号，优先级最低。因为该事件迟早会得到处理，不会造成损失。这种设计使 CPU 和 I/O 设备能并行操作，即异步处理。例如，键盘输入字符到达硬件 I/O 数据缓冲区时，会触发中断以表示 I/O 完成。任务的 I/O 操作完成后，CPU 处理该事件并标记任务准备好执行。 #### 3. 上下文切换 在 8086 中，中断的发生会触发硬件中断机制进行上下文切换。以系统调用终止为例： ```plaintext Code image Statement B4 4C mov ah, 4ch ;function code in ah CD 21 int 21h ;system call ``` 功能代码 4C 通过 AH 以值传递的方式请求程序终止。int 指令的十六进制操作码为 CD，十六进制中断代码 21 是用于计算低内存中中断向量地址的立即操作数。每个中断向量有两个字，顶部字是新的 IP，底部字是新的 CS，即中断向量包含 CS:IP 对。执行 int 21h 指令会引发以下六个硬件步骤： 1. 压入 F 寄存器。 2. 重置 IF（中断标志）和 TF（跟踪标志）。 3. 压入 CS。 4. CS ← M[21 * 4 + 2]。 5. 压入 IP。 6. IP ← M[21 * 4]。 执行指令前的栈帧如图 5.10a 所示，执行 int 指令后，F、CS 和 IP 寄存器按步骤 1、3 和 5 压入栈中（如图 5.10b）。步骤 2、4 和 6 加载新环境。步骤 4 中，新的 CS 从硬件计算的低内存地址获取，先将中断代码左移两位得到 20 位地址（如图 5.10c），然后将 b1 置为 1 形成最终地址（如图 5.10d）。步骤 6 中，将中断代码左移两位生成绝对低地址。在 CPU 执行前两个步骤时，特殊硬件会禁用任何进一步的中断。之后，新的 F 寄存器与旧的 F 寄存器相同，只是 IF 和 TF 位被清除，不再允许中断。 #### 4. 中断返回 处理完中断后，如果操作系统想返回被中断的程序，会做两件事：首先恢复程序的工作寄存器，然后执行 iret（中断返回）指令： ```plaintext Code image Statement CF iret ;interrupt return ;pop ip ;pop cs ;pop f ``` iret 指令的操作码为 CF，类似于远返回指令，但在弹出返回地址后还会从栈中弹出 F 寄存器。 #### 5. 多任务处理 I/O 控制器芯片用于执行 I/O 操作。当 I/O 操作完成时，如果控制器能中断 CPU，I/O 操作