804-中断的处理过程

那我们现在可以放心大胆地进行运算了。 算，算，算。一旦遇到了一个异常情况呢，我们就根据这个异常情况的类型， 去查找这个手册最前面的表格。上面可能是第四种类型，我们找到第四条， 上面写着操作方法在第十二页。 第十二页，好，找到了。那么按照这个操作方法呢一步一步往下执行， 就把这问题给解决了。然后呢，我们就可以继续刚才的运算了，对不对？ 可是我刚才是在哪一页进行的运算？ 这在哪儿呢？我怎么回到刚才的运算呢？

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我们先来看一看在 CPU 内部是如何检测中断的。 我们就以 x86 的实模式为例。在 CPU 内部， 会有中断的处理电路。如果在运算时发生了异常的情况， 比如出现除法错误，那运算器就会产生相应的中断信号。 那如果遇到其他指令产生的中断，就会产生其他对应的控制信号。 那这些中断都是和正在运行的程序本身有关的， 所以我们叫它软件中断，或者是内部中断。 那还有来自 CPU 外部的中断。 这些外设有可能是键盘、网络、打印机，等等。 那当键盘按键，或者有收发网络包的情况， 这些外设的芯片或者板卡就会通过主板上的物理连线，发出中断请求信号， 这些信号最终都会连接到 CPU 内部。 不管来源是哪里，CPU 检测到了中断请求信号，就会进行处理。

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中断处理的过程是这样的：

首先，CPU 会关闭中断响应，也就是不再接受后面其他的外部中断请求了。 注意，只是不接收外部中断请求。

然后将发生中断处的这个指令的地址保存到栈中，也就是内存当中的一个区域， 这个信息必须要保存好，以便于处理完中断后可以正确地返回当前的程序继续执行。 那究竟是保存发生中断的这条指令的地址， 还是发生中断的这条指令之后的一条指令的地址， 和这个中断具体的类型会有关系。

第三步则由 CPU 识别中断的来源， 确定中断类型号，从而能够找到相应的中断服务程序的入口地址。 这三步一般都是由硬件自动完成的。

第四步是保存现场， 也就将中断服务程序中可能会改变的寄存器先压栈，也就是放到内存中保存起来。

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为什么要这么做呢？我们来看一个例子。在这个主程序片段中， 我们假设执行到这条触发指令的时候发生了中断， 那这时就会调用中断服务程序。 我们假设在这中断服务程序当中，有这么一条指令， 它会改写 CX 寄存器的值。 那如果我们没有对 CX 寄存器进行保护的话，在中断返回之后，CX 寄存器的内容就已经改变了。 然后回到主程序继续往下执行时，这个 CX 寄存器的内容，就不再是主程序中之前传到 CX 寄存器中的内容了。 这样就会导致主程序的错误。

所以在中断服务程序中，如果要用到 CX 寄存器， 就应该先进行压栈，把当前 CX 寄存器的值保存到存储器中， 然后在中断返回之前，再执行弹栈的操作。这样中断返回之后， CX 寄存器的内容就没有变化，不会影响主程序的运行。

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然后第五步，就是执行这个中断服务程序的主体内容。 而且在中断服务程序中，可以在适当的时候重新开放中断，以便响应其他高优先级的外部中断。以免中断服务程序本身要执行比较长的时间，造成有高优先级的外部中断长时间无法得到响应

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那如何在中断服务程序当中，重新开放中断呢？ 那这就涉及到对标志寄存器的操作。在标志寄存器当中有一些标志位是状态标志。 状态标志一般情况下，是由硬件设置，然后由软件读取。 例如进位标志，就是在运算器产生进位时，由硬件自动设置， 然后由软件的指令读取出来，可能会进行相关的累加操作。 而另一类标志称为控制标志，这些标志通常是由软件进行设置，然后硬件电路根据这些标志设置的不同， 而执行不同的功能。

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那么标志寄存器的第九位就是中断标志。 这个标志控制对可屏蔽中断的响应。那外部中断分为两大类，一类是可屏蔽中断，一类是非屏蔽中断。 IF 标志只对外部中断当中的可屏蔽中断起作用。 如果 IF 等于 1，那就允许 CPU 响应可屏蔽中断请求； 如果 IF 等于 0，那就不允许 CPU 响应可屏蔽中断请求。 那怎么设置 IF 标志位的值呢？有两条指令。STI 指令就是把 IF 位置为 1， 而 CLI 指令就是把 IF 标志位清零。 这两条指令都是没有操作数的指令。 当然，IF 指令对非屏蔽中断和内部中断都是不起作用的。

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然后我们来看中断处理过程的最后一步，那就是恢复现场并且返回主程序继续运行。

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那返回主程序就需要执行中断返回指令。 中断返回指令它可以不带操作数， 那么这条指令的操作，就是从当前的栈顶弹出三个字， 分别送到 IP、CS 和 FLAGS 寄存器当中去。 那么这条指令是放在中断服务程序的末尾， 那么在中断调用时，CPU 中的硬件电路会将这三个寄存器的值压入栈中，所以在执行中断返回指令时， 也会由硬件从栈顶弹出这三个字，再放回到这三个寄存器当中。 那当 CS 和 IP 寄存器改变之后， 下一条指令就会回到程序发生中断的地方继续执行了。

当然我们也注意到，这条中断返回指令操作的是 CS 和 IP 寄存器， 那在 32 位和 64 位的 x86 中，这个指令指针寄存器，又被扩展为 EIP 和 RIP 寄存器， 它们的宽度都是不一样的，所以后来又有了不同的对应的指令。

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我们再用一个图示来看一看刚才介绍的中断处理的过程。 我们就以内部中断为例。当 CPU 执行到某条指令， 例如就是这条指令，如果此时发生中断，CPU 内部就会产生中断信号， 相关的中断处理电路会判断中断的来源，并产生中断类型号。 CPU 的硬件电路会将 CS 和 IP 寄存器压栈， 这样就保存好了处理完中断后要返回的地址。 同时硬件上还会将 FLAGS 寄存器压栈，以便保存好当前的各项标志， 以免中断处理程序当中，有些指令会改变程序的标志位。 在硬件上还会清除 IF 标志位，以起到关中断的作用。

然后根据中断类型号，找到对应的中断向量，也就是新的 CS 和 IP 的值， 并以此更新 CPU 当中的 CS 和 IP 寄存器。

当完成这个操作后，CPU 就会转到中断服务程序开始执行。 那么在中断服务程序中，也可以执行 STI 指令，以开放中断。

当完成了中断服务程序之后， 最后一条就是执行中断返回指令。 这条指令会从存储器当中将刚才压栈的三个字弹出来， 并按照对应的顺序，存到 CS、IP 和 FLAGS 寄存器当中去， 这样就完成了返回主程序的动作。

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这就是中断处理过程的六个主要的步骤。通常情况下前三步都是由处理中断的硬件电路来完成， 后三步则是由软件，也就是中断服务程序来完成。 但这只是一个大体的分工，在真的要涉及中断服务程序的时候， 必须要针对具体的系统，弄清楚软硬件的分工究竟是怎么样的。 例如在保存现场这件事情上，刚才我们介绍的，标志寄存器是由硬件来负责保存的， 但是在另外的一些系统上，可能硬件就不会自动地保存标志寄存器， 就需要由中断服务程序的软件来进行保存。 那么在设计中断服务程序时，必须要搞清楚这些问题，不然就有可能发生错误。

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那现在呢，我们不但有了这张表，而且有了一个规范的操作流程， 我们知道从运算中出现异常情况，怎么查到这张表，怎么找到异常的操作的步骤， 然后呢应该事先做哪些记录，以免丢失信息。 最后我们还知道怎么回到我们刚才运算的那个地方， 继续进行下一步的操作。 这就是一个完整的中断的处理过程。