執行中斷

中斷是指計算機運行過程中，出現某些意外情況需主機干預時，機器能自動停止正在運行的程式並轉入處理新情況的程式；處理完畢後又返回原被暫停的程式繼續運行。執行中斷是指處理機回響當前的中斷請求，並調用與之對應的中斷進程或程式來處理當前中斷。

基本介紹

• 中文名：執行中斷
• 外文名：Execute Interrupt
• 學科：計算機
• 定義：回響並處理中斷
• 有關術語：中斷
• 領域：設備管理

基本信息

計算機科學中，中斷（Interrupt）是指處理器接收到來自硬體或軟體的信號，提示發生了某個事件，應該被注意，這種情況就稱為中斷。通常，在接收到來自外圍硬體（相對於中央處理器和記憶體）的異步信號，或來自軟體的同步信號之後，處理器將會進行相應的硬體/軟體處理。發出這樣的信號稱為進行中斷請求（interrupt request，IRQ）。硬體中斷導致處理器通過一個運行信息切換（context switch）來保存執行狀態（以程式計數器和程式狀態字等暫存器信息為主）；軟體中斷則通常作為CPU指令集中的一個指令，以可程式的方式直接指示這種運行信息切換，並將處理導向一段中斷處理代碼。中斷在計算機多任務處理，尤其是即時系統中尤為有用。這樣的系統，包括運行於其上的作業系統，也被稱為“中斷驅動的”（interrupt-driven）。

執行中斷即處理機回響中斷並處理中斷，計算機執行中斷一般是通過調用中斷處理程式來完成的。中斷處理程式：用於保存被中斷進程的 CPU 環境，轉入相應的中斷處理程式進行處理，處理完後再恢復被中斷進程的現場後返回到被中斷進程。

執行中斷步驟

中斷處理層的主要工作有：進行進程上下文的切換，對處理中斷信號源進行測試，讀取設備狀態和修改進程狀態等。由於中斷處理與硬體緊密相關，對用戶及用戶程式而言，應該儘量加以禁止，故應該放在作業系統的底層進行中斷處理，系統的其餘部分儘可能少地與之發生聯繫。當一個進程請求 I/O 操作時，該進程將被掛起，直到 I/O 設備完成 I/O 操作後，設備控制器便向 CPU 傳送一中斷請求，CPU 回響後便轉向中斷處理程式，中斷處理程式執行相應的處理，處理完後解除相應進程的阻塞狀態。對於為每一類設備設定一個I/O進程的設備處理方式，其中斷處理程式的處理過程分成以下幾個步驟。

喚醒被阻塞的驅動(程式)進程

當中斷處理程式開始執行時，首先去喚醒處於阻塞狀態的驅動(程式)進程。如果是採用了信號量機制，則可通過執行 signal 操作，將處於阻塞狀態的驅動(程式)進程喚醒；在採用信號機制時，將傳送一信號給阻塞進程。

保護被中斷進程的 CPU 環境

通常由硬體自動將處理機狀態字 PSW 和程式計數器(PC)中的內容，保存在中斷保留區(棧)中，然後把被中斷進程的 CPU 現場信息(即包括所有的 CPU 暫存器，如通用暫存器、段暫存器等內容)都壓入中斷棧中，因為在中斷處理時可能會用到這些暫存器。圖 給出了一個簡單的保護中斷現場的示意圖。該程式是指令在 N 位置時被中斷的，程式計數器中的內容為 N+1，所有暫存器的內容都被保留在棧中。

轉入相應的設備處理程式

由處理機對各個中斷源進行測試， 以確定引起本次中斷的 I/O 設備， 並傳送一應答信號給發出中斷請求的進程，使之消除該中斷請求信號，然後將相應的設備中斷處理程式的入口地址裝入到程式計數器中，使處理機轉向中斷處理程式。

中斷處理

對於不同的設備，有不同的中斷處理程式。該程式首先從設備控制器中讀出設備狀態，以判別本次中斷是正常完成中斷，還是異常結束中斷。若是前者，中斷程式便進行結束處理；若還有命令，可再向控制器傳送新的命令，進行新一輪的數據傳送。若是異常結束中斷，則根據發生異常的原因做相應的處理。

恢復被中斷進程的現場

當中斷處理完成以後，便可將保存在中斷棧中的被中斷進程的現場信息取出，並裝入到相應的暫存器中， 其中包括該程式下一次要執行的指令的地址 N+1、 處理機狀態字 PSW，以及各通用暫存器和段暫存器的內容。這樣，當處理機再執行本程式時，便從 N+1 處開始，最終返回到被中斷的程式。

I/O 操作完成後，驅動程式必須檢查本次 I/O 操作中是否發生了錯誤，並向上層軟體報告，最終向調用者報告本次 I/O 的執行情況。除了上述的第 4 步外，其它各步驟對所有 I/O設備都是相同的，因而對於某種作業系統，例如 UNIX 系統，是把這些共同的部分集中起來，形成中斷總控程式。每當要進行中斷處理時，都要首先進入中斷總控程式。而對於第 4 步，則對不同設備須採用不同的設備中斷處理程式繼續執行。圖示出了中斷處理流程。

中斷分類

硬體中斷（Hardware Interrupt）

可禁止中斷（maskable interrupt）。硬體中斷的一類，可通過在中斷禁止暫存器中設定位掩碼來關閉。

非可禁止中斷（non-maskable interrupt，NMI）。硬體中斷的一類，無法通過在中斷禁止暫存器中設定位掩碼來關閉。典型例子是時鐘中斷（一個硬體時鐘以恆定頻率—如50Hz—發出的中斷）。

處理器間中斷（interprocessor interrupt）。一種特殊的硬體中斷。由處理器發出，被其它處理器接收。僅見於多處理器系統，以便於處理器間通信或同步。

偽中斷（spurious interrupt）。一類不希望被產生的硬體中斷。發生的原因有很多種，如中斷線路上電氣信號異常，或是中斷請求設備本身有問題。

軟體中斷（Software Interrupt）

軟體中斷。是一條CPU指令，用以自陷一個中斷。由於軟中斷指令通常要運行一個切換CPU至核心態（Kernel Mode/Ring 0）的子例程，它常被用作實現系統調用（System call）。

處理器通常含有一個內部中斷禁止位，並允許通過軟體來設定。一旦被設定，所有外部中斷都將被系統忽略。這個禁止位的訪問速度顯然快於中斷控制器上的中斷禁止暫存器，因此可提供更快速地中斷禁止控制。

如果一個中斷使得機器處於一種確定狀態，則稱為精確中斷（precise interrupt）。精確中斷須保證：

程式計數器的值被保存在已知位置。

程式計數器所指向的指令之前的所有指令已被執行完畢。

程式計數器所指向的指令之後的所有指令不可被執行。如果中斷信號到來後而轉入處理前發生了任何針對暫存器/記憶體的更改，都必須予以還原。

程式計數器所指向的指令地執行狀態已知。

倘無法滿足以上條件，此中斷被稱作非精確中斷（imprecise interrupt）。

中斷儘管可以提高計算機處理性能，但過於密集的中斷請求/回響反而會影響系統性能。這類情形被稱作中斷風暴（interrupt storm）。