中斷系統

中斷裝置和中斷處理程序統稱為 中斷系統。

中斷系統是計算機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、計算機與外圍設備間的數據傳送往往採用中斷系統。中斷系統的應用大大提高了計算機效率。

不同的計算機其硬體結構和軟體指令是不完全相同的，因此，中斷系統也是不相同的。計算機的中斷系統能夠加強CPU對多任務事件的處理能力。中斷機制是現代計算機系統中的基礎設施之一，它在系統中起著通信網路作用，以協調系統對各種外部事件的響應和處理。中斷是實現多道程序設計的必要條件。中斷是CPU對系統發生的某個事件作出的一種反應。引起中斷的事件稱為 中斷源。中斷源向CPU提出處理的請求稱為 中斷請求。發生中斷時被打斷程序的暫停點成為 斷點。CPU暫停現行程序而轉為響應中斷請求的過程稱為 中斷響應。處理中斷源的程序稱為 中斷處理程序。CPU執行有關的中斷處理程序稱為 中斷處理。而返回斷點的過程稱為 中斷返回。中斷的實現實行軟體和硬體綜合完成，硬體部分叫做硬體裝置，軟體部分稱為軟體處理程序。

當CPU收到中斷請求后，能根據具體情況決定是否響應中斷，如果CPU沒有更急、更重要的工作，則在執行完當前指令后響應這一中斷請求。CPU中斷響應過程如下：首先，將斷點處的PC值（即下一條應執行指令的地址）推入堆棧保留下來，這稱為保護斷點，由硬體自動執行。然後，將有關的寄存器內容和標誌位狀態推入堆棧保留下來，這稱為保護現場，由用戶自己編程完成。保護斷點和現場后即可執行中斷服務程序，執行完畢，CPU由中斷服務程序返回主程序，中斷返回過程如下：首先恢復原保留寄存器的內容和標誌位的狀態，這稱為恢復現場，由用戶編程完成。然後，再加返回指令RETI，RETI指令的功能是恢復PC值，使CPU返回斷點，這稱為恢復斷點。恢復現場和斷點后，CPU將繼續執行原主程序，中斷響應過程到此為止。

通常，系統中有多個中斷源，當有多個中斷源同時發出中斷請求時，要求計算機能確定哪個中斷更緊迫，以便首先響應。為此，計算機給每個中斷源規定了優先順序別，稱為 優先權。這樣，當多個中斷源同時發出中斷請求時，優先權高的中斷能先被響應，只有優先權高的中斷處理結束后才能響應優先權低的中斷。計算機按中斷源優先權高低逐次響應的過程稱 優先權排隊，這個過程可通過硬體電路來實現，亦可通過軟體查詢來實現。

當CPU響應某一中斷時，若有優先權高的中斷源發出中斷請求，則CPU能中斷正在進行的中斷服務程序，並保留這個程序的斷點（類似於子程序嵌套），響應高級中斷，高級中斷處理結束以後，再繼續進行被中斷的中斷服務程序，這個過程稱為 中斷嵌套。如果發出新的中斷請求的中斷源的優先權級別與正在處理的中斷源同級或更低時，CPU不會響應這個中斷請求，直至正在處理的中斷服務程序執行完以後才能去處理新的中斷請求。

中斷源是指能夠引起中斷的原因。一台處理機可能有很多中斷源，但按其性質和處理方法，大致可分為如下五類。

①　機器故障中斷。

②　程序性中斷。現行程序本身的異常事件引起的，可分為以下三種：一是程序性錯誤，例如指令或操作數的地址邊界錯，非法操作碼和除數為零等；二是產生特殊的運算結果，例如定點溢出；三是程序出現某些預先確定要跟蹤的事件，跟蹤操作主要用於程序調試。有些機器把程序性中斷稱為“異常”，不稱為中斷。

③　輸入－輸出設備中斷。

④　外中斷。來自控制台中斷開關、計時器、時鐘或其他設備，這類中斷的處理較簡單，實時性強。

⑤　調用管理程序。用戶程序利用專用指令“調用管理程序”發中斷請求，是用戶程序和操作系統之間的聯繫橋樑。

幾個中斷請求可能同時出現，但中斷系統只能按一定的次序來響應和處理。可最先被響應的中斷具有最高優先權，按優先順序別順序進行處理。優先權高低是由中斷部件的中斷排隊線路確定的。

當機器設置很多中斷源時，為了簡化設計，對中斷源分組管理。具有相同中斷優先權的中斷源構成一個中斷級。同一級中斷使用同一個中斷控制程序起點。

對應於各中斷級設置相應的屏蔽位。只有屏蔽位為1時，該中斷級才能參加中斷優先權排隊。中斷屏蔽位可由專用指令建立，因而可以靈活地調整中斷優先權。有些機器針對某些中斷源也設置屏蔽位，只有屏蔽位為1時，相應的中斷源才起作用。

大多數中斷系統都具有如下幾方面的操作，這些操作是按照中斷的執行先後次序排列的。①接收中斷請求。②查看本級中斷屏蔽位，若該位為1則本級中斷源參加優先權排隊。③中斷優先權選擇。④處理機執行完一條指令后或者這條指令已無法執行完，則立即中止現行程序。接著，中斷部件根據中斷級去指定相應的主存單元，並把被中斷的指令地址和處理機當前的主要狀態信息存放在此單元中。⑤中斷部件根據中斷級又指定另外的主存單元，從這些單元中取出處理機新的狀態信息和該級中斷控制程序的起始地址。⑥執行中斷控制程序和相應的中斷服務程序。⑦執行完中斷服務程序后，利用專用指令使處理機返回被中斷的程序或轉向其他程序。

程序狀態字與向量中段這是兩個與中斷響應和處理有密切關係的概念。

程序狀態字：每個程序均有自己的程序狀態字。現行程序的程序狀態字放在處理機的程序狀態字寄存器中。程序狀態字中最主要的內容有指令地址、條件碼、地址保護鍵，中斷屏蔽和中斷響應時的中斷源記錄等。中斷響應和處理操作的第④步和第⑤步就是交換程序狀態字操作。

向量中斷：對應每一級中斷都有一個向量，這些向量順序存放在主存的指定單元中。向量的內容是：相應的中斷服務程序起始地址和處理機狀態字（主要是指令地址）。在中斷響應時，由中斷部件提供中斷向量的地址，就可取出該向量。中斷響應和處理操作的第⑤步就是取中斷向量操作。在採用向量中斷的機器中一般不再使用程序狀態字。