CPU中断的硬件实现原理

内容整理自较早前的微机原理学习笔记，重点梳理了实现硬件中断机制所依赖几个数据结构和硬件原件。

为什么需要中断？

中断机制的出现是为了协调处理器与外部设备速度不一致的问题，以提高处理器的利用率。
试想我们打开了编辑器处理器就不干活了，等着键盘输入，这会浪费多少处理器计算资源？
另一种方式是处理器忙自己的，等有输入时再通知一下处理器。这种异步通知处理器就是利用的中断机制。
从工作流程上看有点类似Java语言通过try-catch捕获InterruptedException，主流程收到其他线程的打断通知后转向处理异常情况。

(键盘向中断控制器发送电信号的示例图)

处理器如何发现中断信号？

通常有两种模式感知外部事件的发生。一种是主动的检测，每隔一段去询问一次，也叫轮询，另一种是被动的，当事件发生时由对方通知自己。处理器接受中断信号采用的轮询方式。

处理器的控制单元是一个时序逻辑电路，同时也是一个有限状态机(FSM) [1]，基础的FSM有三个状态FETCH、DECODE、EXECUTE，它表示处理器执行一条指令的有序序列是：从内存读取指令 -> 解释指令 -> 执行指令。
后来在计算机设计上出现了中断机制，就在原来FSM的基础上增加了一个新状态——中断，
处理器执行一条指令的流水线就变成了从内存读取指令 -> 解释指令 -> 执行指令 -> 检测中断。
由此可见，检测中断事件发生在每一次CPU指令周期中

（一个有中断机制的CPU指令周期(instruction-cycle)）

中断控制器

在物理实现中，CPU上有两个引脚NMI和INTR [2]，专门用于接收外部设备的中断信号。不过由于CPU的引脚数量有限，给每个外设预留一个引脚是不现实的。
其实在外设和处理器中间还有一个叫做可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC）的硬件，外设通过电路向PIC发送一个中断信号，然后PIC再发送给处理器。
PIC是可编程的，意味着可以调整每个引脚对应的外部设备，以及当同时发生多个中断时，设置不同中断类型的优先级。

处理器如何处理中断？

中断只是一个电信号，不能传递更多的数据，那么处理器要如何知道具体怎么处理一个中断请求（interrupt request，IRQ）？
处理逻辑就在中断处理程序(interrupt service routine, ISR)中，该程序是硬件驱动的一部分。
就是说，我们在安装键盘驱动、鼠标驱动时也向操作系统注册了ISR。
虽然中断类型有很多，处理器倒也不用预先记录每个ISR在什么位置。操作系统在启动时会创建一个中断向量表(interrupt vector table,IVT)，这个数据结构是中断ID到对应ISR的入口地址的映射，存放在一个操作系统和处理器都知道的内存位置。在存储器地址空间中，规定最低的1K空间，即00000H到003FFH为中断向量表。当中断发生时，处理器根据中断ID获取到ISR程序的入口地址，开始处理中断。

名词释义

[1]有限状态机(Finite State Machine,FSM)：一种数学计算模型，该模型在任意时刻只有有限个状态，且往下一个状态的转移依赖上一个状态的输入。
[2]中断有两种，NMI不可屏蔽中断，INTR可屏蔽中断。处理器即便检测到中断请求，也不是每次都要处理。

参考资料

1. Arduino Interrupts Tutorial：https://www.youtube.com/watch?v=QtyOiTw0oQc
   视频中作者用Arduino单片机演示了硬件实现中断的细节，很值得一看，会让你对硬件中断有个直观的认识。

2. 可编程的中断控制器：https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_interrupt_controller

   中断控制器的几号引脚对应哪个外部设备是可以编辑的，所以是可编程的。

   以及同时发生多个中断请求时，也由中断处理器确定优先级。

3. 《计算机系统》Computer Systems:An Integrated Approach to Architecture and Operating Systems

   本文的内容主要来自这本书的第四章和第六章。这是一本很棒的微机原理教材。

4. 中断处理程序词条：https://en.wikipedia.org/wiki/Interrupt_handler

5. CPU怎么检测到中断的？https://segmentfault.com/q/1010000009330782

   这个讨论里有提到中断引脚以及中断控制器

6. 轻量级线程词条：https://en.wikipedia.org/wiki/Light-weight_process

   里面有讲到调度器激活

7. Oracle Solaris编写驱动程序文档：https://docs.oracle.com/cd/E38902_01/html/E38873/interrupt-1.html

   这是写给编写Solaris操作系统驱动程序的开发人员的说明文档，文中比较详细的解释了怎么编写中断处理程序。
   简单阅读一下，可以增加对中断处理程序的直观认识。

8. 如果同时发生两个中断CPU怎么处理？http://www-quic.zhihu.com/question/464406729

9. 《计算机组成与体系结构》Computer Organization and Architecture: Designing for Performance

   第七章有详细讲解中断处理器的细节

10. 中断词条：https://zh.wikipedia.org/wiki/中斷