805-内部中断分类说明

现在，我们已经知道了中断处理的基本过程， 那么就来花一点时间，看一看内部中断到底有哪些不同的类型。 我们还是以 x86 的实模式为例，这个比较简单，但基本原理都是一样的。

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在 x86 的实模式下，我们要来分析的内部中断就是这四个。

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那这四个内部中断所使用的类型号，分别是 0、1、3、 4，而加在中间的类型 2，是留给外部中断的。 这个非屏蔽中断是外部中断的一种。 那么现在，就分别来看一看这四个内部中断

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首先来看类型 0 的中断。 这个中断是和除法有关的， 我们不妨来回顾一下除法器的结构，在这个除法器支持的运算中， 是有一个 64 位的被除数，和一个 32 位的除数， 运算产生的商和余数，分别放到两个 32 位寄存器当中去， 那这样的设置对于多数除法运算来说，都是没有问题的。 但难免有一些比较特别的情况， 例如除数很小，比如说就是 2，而被除数很大，那么一个很大的被除数除以 2 之后，得到的商就会超过 32 位，没有办法放进这个商寄存器当中去。

当运算器遇到这种情况时，就会产生一个除法错中断，这个中断的类型号是 0， 所以 CPU 就会去中断向量表中，取出 0 号中断向量，然后去执行对应的中断服务程序， 那由于这种情况，就是用 0 作除数， 这样得到的商应该是无穷大，肯定超过目标寄存器所能表示的范围， 所以这个除法错中断有时也会被称为除 0 中断。

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然后我们再来看 4 号中断，这个中断叫作溢出中断， 也就是因为算术运算发生了溢出，而引起的中断， 这个中断的产生要借助一条特殊的指令，也就 INTO 指令，当执行这条指令时， 硬件电路会去检查溢出标志位 OF 是否位 1， 如果为 1，则会引起类型为 4 的内部中断。 那这条指令的格式是这样的，就是 INTO，它是一个没有操作数的指令， 比如这条加法指令，在执行时，就有可能发生了溢出，那么运算器在运行完这个加法后，会去设置标志寄存器当中的标志位， 也就是第 11 号溢出标志位， 但这个操作本身并不会引发中断，只是将标志位置 1， 但如果之后执行了 INTO 指令，这条指令是会去检查 OF 标志位， 如果这时 OF 标志位为 1，那就引起了 4 号中断， 但是如果 INTO 指令执行时，OF 标志位为 0，那就什么也不会发生， 这条 INTO 指令就相当于一条空操作指令， 所以 INTO 指令通常会安排在算术运算指令之后， 用来检查这个运算是否发生了溢出，并且， 在发生溢出时，就调用中断程序进行处理， 因为这是 4 号中断，所以我们也可以写成 INT 4 这样的形式。 注意 INT 和 4 之间有一个空格，这个 4 是 INT 指令的操作数。

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实际上，任何一个类型的中断，都可以采用这样的形式进行调用， 用 INT 指令带上这个中断的类型号，那我们在后面还会看到这样的例子。 那我们要注意区分的是，这个 4 号中断， 和刚才介绍的 0 号中断，在引起中断的时机上是有区别的， 虽然它们都在检查运算时出现的异常情况， 但是 0 号中断，是在那条除法指令执行后，立刻发生的， 而 4 号中断则是要在编程时，加入 INTO 指令进行主动的检查，因为很多时候，这样的加法运算的溢出，并不需要进行处理， 如果每一次溢出，都要引发中断，反而可能影响程序的性能， 所以在指令系统设计的时候，就把是否要检查这种溢出的情况，交给程序员来进行判断。

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那么类型 0 和类型 4 这两个中断， 都是和运算结果出现了异常情况有关系的， 而另两个内部中断，则是主要用来进行错误调试的。

其中，类型 1 中断称为单步中断，要引发这个中断， 需要将标志寄存器当中的 TF 位置 1，这时 CPU 就处于单步工作方式。 在单步工作方式下，CPU 每执行完一条指令， 就会自动的产生一个类型 1 的中断，然后进入类型 1 中断服务程序。

这种工作方式主要是用来进行错误调试的， 比如说，你发现 CPU 执行一段程序有错误，但是又不清楚这个错误具体发生在什么地方， 那就可以将 TF 标志位置为 1，在单步工作方式下进行调试。 通常情况下，我们会在这个类型 1 的中断服务程序当中， 将 CPU 当中的各个寄存器的内容，在屏幕上显示出来， 这样 CPU 每执行一条指令，我们就可以在屏幕上看见 CPU 当前正在执行的，是哪一条指令， 这条指令的地址是什么，执行这条指令的前后，那些通用寄存器又有什么样的变化， 这样我们就有可能发现，到底在哪一步，发生了不符合我们预期的行为。

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这个方式对于调试是很有用的，但是 CPU 每执行完一条指令，就要产生一个中断， 那程序执行的速度，就是非常慢的， 如果想要调试一个很大的程序，仅用单步中断就会变得比较困难， 所以还有一个用于调试的中断，就是类型 3，断点中断。 断点中断通常和单步中断配合使用， 在调试一个很大的程序时，一般我们会先通过断点中断，将错误定位在 这个程序的一小段代码中，然后，再对这一小段代码，用单步的方式，进行跟踪调试， 这样就可以大大提升调试的效率，这个思想也是很简明的， 如果我一个大的程序运算结果出现问题，我们并不会马上从这个程序的开头，一条一条指令的顺序检查， 而通常会是将这个程序，切成几个大的部分，然后检查每一个部分的结果是否正确。 我们刚才提过，所有的中断，都可以用指令的形式来调用， 那么用 INT 加中断类型号的这个形式的指令，都是一个两字节的指令，只有断点中断， 是一个例外，INT 3 指令是一条单字节长的指令，这就是 INT 3 指令的编码， 11001100。

那为什么 INT n 形式的指令都是两个字节的呢？我们只用想一想这个 n 要表达多大的范围， 我们一共有 256 个中断类型，所以这个 n 要表示 0 到 255， 那要表示这些数，需要多少个二进制位呢？ 需要 8 位，对吧，2 的 8 次方，就是 256， 那在前面，还得有一个字节的指令操作码，所以总共是两个字节。

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那我们为什么要单独给 3 号中断，设置一个单字节长的指令编码呢？ 那这和它的使用方式是有关系的， 这个断点中断指令的使用，并不那么简单， 我们要在需要调试的程序当中，选择一个希望中断的位置， 然后用这条断点中断指令，去代替这个位置原有的指令， 当然，我们需要把原有的这条指令保存起来。 这个都是要由调试人员手工来完成的， 替换完以后，我们再次运行这个程序，那用户程序 运行到我们选好的这个中断点的时候，那它就执行了 INT 3 这条指令， 从而进入了对应的中断服务程序， 那我们就可以在这个中断服务程序当中，去将 CPU 的各个寄存器的值，都打印在屏幕上， 从而判断执行到这个断点的时候，这个用户程序是否还运行正常。 那如果运行正常，可能我们就需要把这个断点在往后挪一挪， 那如果这个时候，已经由寄存器的值不符合我们的预期了， 那我们就需要将断点，放到更靠前的位置，进行进一步的检查。 但我们还得记得，在这个中断服务程序当中， 需要将这个断点位置，与原有的那条指令的编码，再替换回去， 并且将指令指真寄存器的值，再回退一个字节， 也就是指向这个原有的指令，以保证中断返回之后，CPU 能从断点的这个地方继续执行。

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我们来看一个例子，假设这是我们要调试的一段程序，这里有 5 条指令， 左边是它们对应的指令的地址，其中有一些是两个字节的指令，有一些是一个字节的指令。 那如果我们想选择这条 INC 指令，作为断点， 那么就需要把这条指令的编码，替换成 INT 3 指令的编码，

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这时候就体现出了 INT 3 这条指令，是一个单字节指令的好处， 因为 x86 的指令当中，最短的就是一个字节的指令，就像这条 INC 指令， 那如果断点中断指令，是一个两字节的指令，那么在替换进来之后，就会影响到后续的指令， 而后续的指令，却有可能在这个断点之前执行，比如说就像这段程序代码 JMP 201H， 在这个断点之前，就有一个转移指令，直接跳到了断点之后，然后经过条件判断，可能又跳转回来， 才继续执行到断点的地方，所以我们将这条 INC 指令替换成断点中断指令的时候， 一定不能影响后续的指令，这也就是为什么断点中断指令必须要是一个字节的。

那么在这段程序执行的过程中，如果这个条件转移发生了， 那就会运行到断点中断指令，然后 CPU 内部就会发生中断， 转而去执行 3 号中断向量所对应的中断服务程序， 那在这个中断服务程序中，我们就可以把 AL 寄存器的内容打出来， 这样调试人员就可以观察到，这个时候 AL 寄存器的内容，是否符合我们的预期了， 如果我们发现 AL 寄存器的内容有错误，那么就可以再次运行这个程序， 并在附近的位置设置 CPU 进入单步工作模式，进行单步调试， 这样就会比较容易的发现一些隐藏的很深的错误。

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那么介绍的这些内部中断，都有共同的特点。首先，它们的中断类型号是由 CPU 内部产生的，因为这些异常的情况，就是 CPU 自己在执行指令的过程中发生的， 所以它是知道到底发生的是什么类型的中断

而我们后面要介绍的外部中断，则有可能来自不同的外部设备， 所以 CPU 需要去读取外设，以得知中断类型号， 这是第一个区别。第二个区别，是屏蔽的方式， 那么在内部中断当中，除了单步中断以外，都不可以用软件的方式来进行屏蔽， 也就是，我们不可以通过设置 IF 这个标志位，来让 CPU 不响应内部中断。

第三个是优先级，也就是内部中断 和外部中断同时发生时，CPU 先处理哪个中断， 那么除了单步中断以外，所有的内部中断优先级，都比外部中断高。 CPU 总是优先处理自己内部发生的异常情况。

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现在，我们已经了解了内部中断的基本类型， 有两个是用来处理运算的异常情况，还有两个是 CPU 用来调试的， 那后来，随着内部中断的类型不断的增加，其中增长的大部分， 都是 CPU 用来调试和管理用的中断。