FPGA之外，了解一下中断

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中断是什么？

中断的汉语解释是半中间发生阻隔、停顿或故障而断开。那么，在计算机系统中，我们为什么需要“阻隔、停顿和断开”呢？

举个日常生活中的例子，比如说我正在厨房用煤气烧一壶水，这样就只能守在厨房里，苦苦等着水开——如果水溢出来浇灭了煤气，有可能就要发生一场灾难了。等啊等啊，外边突然传来了惊奇的叫声“怎么不关水龙头？”于是我惭愧的发现，刚才接水之后只顾着抱怨这份无聊的差事，居然忘了这事，于是慌慌张张的冲向水管，三下两下关了龙头，声音又传到耳边，“怎么干什么都是这么马虎？”。伸伸舌头，这件小事就这么过去了，我落寞的眼神又落在了水壶上。

门外忽然又传来了铿锵有力的歌声，我最喜欢的古装剧要开演了，真想夺门而出，然而，听着水壶发出“咕嘟咕嘟”的声音，我清楚：除非等到水开，否则没有我享受人生的时候。

这个场景跟中断有什么关系呢？

如果说我专心致志等待水开是一个过程的话，那么叫声、电视里传出的音乐不都让这个过程“半中间发生阻隔、停顿或故障而断开”了吗？这不就是活生生的“中断”吗？

在这个场景中，我是唯一具有处理能力的主体，不管是烧水、关水龙头还是看电视，同一个时间点上我只能干一件事情。但是，在我专心致志干一件事情时，总有许多或紧迫或不紧迫的事情突然出现在面前，都需要去关注，有些还需要我停下手头的工作马上去处理。只有在处理完之后，方能回头完成先前的任务，“把一壶水彻底烧开！”

中断机制不仅赋予了我处理意外情况的能力，如果我能充分发挥这个机制的妙用，就可以“同时”完成多个任务了。回到烧水的例子，实际上，无论我在不在厨房，煤气灶总是会把水烧开的，我要做的，只不过是及时关掉煤气灶而已，为了这么一个一秒钟就能完成的动作，却让我死死地守候在厨房里，在10分钟的时间里不停地看壶嘴是不是冒蒸气，怎么说都不划算。我决定安下心来看电视。当然，在有生之年，我都不希望让厨房成为火海，于是我上了闹钟，10分钟以后它会发出“尖叫”，提醒我炉子上的水烧开了，那时我再去关煤气也完全来得及。我用一个中断信号——闹铃——换来了10分钟的欢乐时光，心里不禁由衷地感叹：中断机制真是个好东西。

正是由于中断机制，我才能有条不紊地“同时”完成多个任务，中断机制实质上帮助我提高了并发“处理”能力。它也能给计算机系统带来同样的好处：如果在键盘按下的时候会得到一个中断信号，CPU就不必死守着等待键盘输入了；如果硬盘读写完成后发送一个中断信号，CPU就可以腾出手来集中精力“服务大众”了——无论是人类敲打键盘的指尖还是来回读写介质的磁头，跟CPU的处理速度相比，都太慢了。没有中断机制，就像我们苦守厨房一样，计算机谈不上有什么并行处理能力。

跟人相似，CPU也一样要面对纷繁芜杂的局面——现实中的意外是无处不在的——有可能是用户等得不耐烦，猛敲键盘；有可能是运算中碰到了0除数；还有可能网卡突然接收到了一个新的数据包。这些都需要CPU具体情况具体分析，要么马上处理，要么暂缓响应，要么置之不理。无论如何应对，都需要CPU暂停“手头”的工作，拿出一种对策，只有在响应之后，方能回头完成先前的使命，“把一壶水彻底烧开！”

计算机系统实现中断机制是非常复杂的一件工作，再怎么说人都是高度智能化的生物，而计算机作为一个铁疙瘩，没有程序的教导就一事无成。而处理一个中断过程，它受到的限制和需要学习的东西太多了。

首先，计算机能够接收的外部信号形式非常有限。中断是由外部的输入引起的，可以说是一种刺激。在烧水的场景中，这些输入是叫声和电视的音乐，我们这里只以声音为例。其实现实世界中能输入人类CPU——大脑的信号很多，图像、气味一样能被我们接受，人的信息接口很完善。而计算机则不然，接受外部信号的途径越多，设计实现就越复杂，代价就越高。因此个人计算机（PC）给所有的外部刺激只留了一种输入方式——特定格式的电信号，并对这种信号的格式、接入方法、响应方法、处理步骤都做了规约（具体内容本文后面部分会继续详解），这种信号就是中断或中断信号，而这一整套机制就是中断机制。

其次，计算机不懂得如何应对信号。人类的大脑可以自行处理外部输入，我从来不用去担心闹钟响时会手足无措——走进厨房关煤气，这简直是天经地义的事情，还用大脑想啊，小腿肚子都知道——可惜计算机不行，没有程序，它就纹丝不动。因此，必须有机制保证外部中断信号到来后，有正确的程序在正确的时候被执行。

还有，计算机不懂得如何保持工作的持续性。我在看电视的时候如果去厨房关了煤气，回来以后能继续将电视进行到底，不受太大的影响。而计算机则不然，如果放下手头的工作直接去处理“意外”的中断，那么它就再也没有办法想起来曾经作过什么，做到什么程度了。自然也就没有什么“重操旧业”的机会了。这样的处理方式就不是并发执行，而是东一榔头，西一棒槌了。

那么，通用的计算机系统是如何解决这些问题的呢？它是靠硬件和软件配合来协同实现中断处理的全过程的。我们将通过Intel X86架构的实现来介绍这一过程。

CPU执行完一条指令后，下一条指令的逻辑地址存放在cs和eip这对寄存器中。在执行新指令前，控制单元会检查在执行前一条指令的过程中是否有中断或异常发生。如果有，控制单元就会抛下指令，进入下面的流程：

1.      确定与中断或异常关联的向量i (0£i£255)

2.      寻找向量对应的处理程序

3.      保存当前的“工作现场”，执行中断或异常的处理程序

4.      处理程序执行完毕后，把控制权交还给控制单元

5.      控制单元恢复现场，返回继续执行原程序

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作者：杭州卿萃科技ALIFPGA

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