计算机组成原理(26) 第六章 - iO方式2-程序中断方式

程序中断方式是一种由外设主动触发 的 I/O 控制方式，核心逻辑是：外设准备好数据后，主动向 CPU 发送中断请求，CPU 暂停当前任务，转而执行专门的中断服务程序完成数据传输，传输结束后恢复原任务。

一、核心原理与关键前提

1. 核心思想

CPU 与外设的交互遵循 "主动工作 + 被动响应" 模式：

CPU 发送启动命令后，继续执行自身的主程序，无需等待外设；
外设完成数据准备后，主动向 CPU 发送中断请求信号；
CPU 收到请求后，在当前指令执行完毕时暂停主程序，保存现场（寄存器值、程序计数器 PC）；
CPU 跳转到中断服务程序（ISR），执行数据读写操作；
中断服务程序执行完毕，CPU 恢复现场，继续执行主程序。

2. 关键硬件前提

程序中断方式需要专门的硬件支持，核心组件包括：

硬件组件	作用
中断请求线	外设向 CPU 发送中断请求的物理信号线（如 x86 的 INTR 引脚）
中断控制器	管理多个外设的中断请求，进行优先级判断（如 Intel 8259 中断控制器），避免多个中断同时冲突
中断向量表	存储不同外设中断服务程序的入口地址，CPU 可通过中断向量号直接跳转，无需逐个查询
外设状态 / 数据寄存器	与程序查询方式一致，状态寄存器标记外设就绪状态，数据寄存器暂存传输数据

3. 关键概念

中断源：触发中断的设备或事件（如键盘输入、串口数据到达、定时器溢出）；
中断向量号：每个中断源的唯一编号，CPU 通过该编号在中断向量表中找到服务程序入口；
中断屏蔽 ：CPU 通过中断屏蔽寄存器，可暂时屏蔽某一类或某一个中断请求，优先执行更重要的任务；
中断优先级：多个中断同时请求时，CPU 优先响应优先级高的中断（如 DMA 中断 > 外设中断 > 时钟中断）。

二、完整工作流程（以 CPU 读外设数据为例）

程序中断方式的流程分为 5 个核心步骤，核心是 "外设主动触发，CPU 被动响应"：

初始化阶段

CPU 执行指令，初始化外设（如启动键盘扫描、配置串口波特率），同时初始化中断控制器：
- 开启外设对应的中断允许位；
- 设置中断优先级；
- 映射中断向量号到服务程序入口地址。完成后，CPU 继续执行主程序。
外设准备数据并触发中断

外设完成数据准备（如键盘检测到按键按下、ADC 完成采样）后：
- 将数据写入数据寄存器；
- 置位状态寄存器的就绪位；
- 向中断控制器发送中断请求信号（IRQ）。
CPU 响应中断

中断控制器收到请求后，进行两步处理：
- 优先级判断 ：若当前无更高优先级中断正在处理，则向 CPU 发送中断请求信号（INTR） ；
- CPU 响应条件：
  1. CPU 内部的中断允许标志位（IF） 为 1（未屏蔽全局中断）；
  2. CPU 执行完当前指令，无更紧急任务（如复位、异常）。满足条件后，CPU 进入中断响应阶段。
执行中断服务程序（核心数据传输阶段）

CPU 响应中断后，按固定流程执行：
1. 关中断：暂时屏蔽其他中断，避免现场被破坏；
2. 保存现场：将当前程序计数器 PC、寄存器值等压入栈中，确保后续能恢复主程序；
3. 查找中断服务程序 ：根据中断控制器发送的中断向量号，在中断向量表中找到服务程序入口地址；
4. 执行数据传输：读取外设数据寄存器中的数据，存入内存或寄存器；清除外设的就绪位和中断请求位；
5. 开中断：重新允许其他中断请求；
6. 恢复现场：将栈中保存的寄存器值、PC 值恢复；
7. 中断返回 ：执行 IRET（中断返回指令），回到主程序的中断断点处继续执行。
外设继续工作数据传输完成后，外设可继续准备下一批数据，等待下一次触发中断。

三、优缺点分析

1. 优点

优点	具体说明
CPU 利用率大幅提升	CPU 无需主动轮询，可在等待外设时执行主程序，仅在数据就绪时短暂响应中断
实时性较好	外设就绪后立即触发中断，CPU 能快速响应，适合需要及时处理的场景（如工业传感器数据采集）
硬件复杂度适中	仅需中断控制器，无需 DMA 控制器等复杂硬件，成本低于 DMA 方式
支持多外设并行	中断控制器可管理多个外设的中断请求，CPU 可按优先级依次响应，适合多外设系统

2. 缺点

缺点	具体说明
存在中断开销	每次中断都需要 "保存现场 → 查找入口 → 恢复现场"，这些操作会占用 CPU 时间
传输效率有限	每次中断仅能传输一个数据单元（字节 / 字），若需传输大批量数据（如硬盘读写），会产生频繁中断，反而降低 CPU 利用率
依赖中断控制器	必须配备中断控制器管理优先级和请求，硬件复杂度高于程序查询方式
可能出现中断嵌套冲突	高优先级中断可打断低优先级中断，若嵌套层数过多，可能导致栈溢出或现场混乱

四、适用场景

程序中断方式适用于 中低速外设、小批量数据传输、对实时性有一定要求 的场景，典型案例包括：

人机交互外设：键盘、鼠标、触摸屏，单次传输 1 个字节数据，需及时响应；
低速通信外设：UART 串口、I2C 传感器，数据传输频率低，无需占用 CPU 大量时间；
实时监控场景：工业控制中的温度、压力传感器，需及时上报数据，避免数据丢失。

反例：不适合高速、大批量数据传输场景（如 NVMe 硬盘读写、视频流采集），这类场景更适合 DMA 方式。