FPGA之外中斷是什么？這個(gè)場(chǎng)景跟中斷有什么關(guān)系呢？

中斷是什么？

中斷的漢語解釋是半中間發(fā)生阻隔、停頓或故障而斷開。那么，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，我們?yōu)槭裁葱枰白韪?、停頓和斷開”呢？

舉個(gè)日常生活中的例子，比如說我正在廚房用煤氣燒一壺水，這樣就只能守在廚房里，苦苦等著水開——如果水溢出來澆滅了煤氣，有可能就要發(fā)生一場(chǎng)災(zāi)難了。等啊等啊，外邊突然傳來了驚奇的叫聲“怎么不關(guān)水龍頭？”于是我慚愧的發(fā)現(xiàn)，剛才接水之后只顧著抱怨這份無聊的差事，居然忘了這事，于是慌慌張張的沖向水管，三下兩下關(guān)了龍頭，聲音又傳到耳邊，“怎么干什么都是這么馬虎？”。伸伸舌頭，這件小事就這么過去了，我落寞的眼神又落在了水壺上。

門外忽然又傳來了鏗鏘有力的歌聲，我最喜歡的古裝劇要開演了，真想奪門而出，然而，聽著水壺發(fā)出“咕嘟咕嘟”的聲音，我清楚：除非等到水開，否則沒有我享受人生的時(shí)候。

這個(gè)場(chǎng)景跟中斷有什么關(guān)系呢？

如果說我專心致志等待水開是一個(gè)過程的話，那么叫聲、電視里傳出的音樂不都讓這個(gè)過程“半中間發(fā)生阻隔、停頓或故障而斷開”了嗎？這不就是活生生的“中斷”嗎？

在這個(gè)場(chǎng)景中，我是唯一具有處理能力的主體，不管是燒水、關(guān)水龍頭還是看電視，同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上我只能干一件事情。但是，在我專心致志干一件事情時(shí)，總有許多或緊迫或不緊迫的事情突然出現(xiàn)在面前，都需要去關(guān)注，有些還需要我停下手頭的工作馬上去處理。只有在處理完之后，方能回頭完成先前的任務(wù)，“把一壺水徹底燒開！”

中斷機(jī)制不僅賦予了我處理意外情況的能力，如果我能充分發(fā)揮這個(gè)機(jī)制的妙用，就可以“同時(shí)”完成多個(gè)任務(wù)了?；氐綗睦?，實(shí)際上，無論我在不在廚房，煤氣灶總是會(huì)把水燒開的，我要做的，只不過是及時(shí)關(guān)掉煤氣灶而已，為了這么一個(gè)一秒鐘就能完成的動(dòng)作，卻讓我死死地守候在廚房里，在10分鐘的時(shí)間里不停地看壺嘴是不是冒蒸氣，怎么說都不劃算。我決定安下心來看電視。當(dāng)然，在有生之年，我都不希望讓廚房成為火海，于是我上了鬧鐘，10分鐘以后它會(huì)發(fā)出“尖叫”，提醒我爐子上的水燒開了，那時(shí)我再去關(guān)煤氣也完全來得及。我用一個(gè)中斷信號(hào)——鬧鈴——換來了10分鐘的歡樂時(shí)光，心里不禁由衷地感嘆：中斷機(jī)制真是個(gè)好東西。

正是由于中斷機(jī)制，我才能有條不紊地“同時(shí)”完成多個(gè)任務(wù)，中斷機(jī)制實(shí)質(zhì)上幫助我提高了并發(fā)“處理”能力。它也能給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶來同樣的好處：如果在鍵盤按下的時(shí)候會(huì)得到一個(gè)中斷信號(hào)，CPU就不必死守著等待鍵盤輸入了；如果硬盤讀寫完成后發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，CPU就可以騰出手來集中精力“服務(wù)大眾”了——無論是人類敲打鍵盤的指尖還是來回讀寫介質(zhì)的磁頭，跟CPU的處理速度相比，都太慢了。沒有中斷機(jī)制，就像我們苦守廚房一樣，計(jì)算機(jī)談不上有什么并行處理能力。

跟人相似，CPU也一樣要面對(duì)紛繁蕪雜的局面——現(xiàn)實(shí)中的意外是無處不在的——有可能是用戶等得不耐煩，猛敲鍵盤；有可能是運(yùn)算中碰到了0除數(shù)；還有可能網(wǎng)卡突然接收到了一個(gè)新的數(shù)據(jù)包。這些都需要CPU具體情況具體分析，要么馬上處理，要么暫緩響應(yīng)，要么置之不理。無論如何應(yīng)對(duì)，都需要CPU暫?！笆诸^”的工作，拿出一種對(duì)策，只有在響應(yīng)之后，方能回頭完成先前的使命，“把一壺水徹底燒開！”

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中斷機(jī)制是非常復(fù)雜的一件工作，再怎么說人都是高度智能化的生物，而計(jì)算機(jī)作為一個(gè)鐵疙瘩，沒有程序的教導(dǎo)就一事無成。而處理一個(gè)中斷過程，它受到的限制和需要學(xué)習(xí)的東西太多了。

首先，計(jì)算機(jī)能夠接收的外部信號(hào)形式非常有限。中斷是由外部的輸入引起的，可以說是一種刺激。在燒水的場(chǎng)景中，這些輸入是叫聲和電視的音樂，我們這里只以聲音為例。其實(shí)現(xiàn)實(shí)世界中能輸入人類CPU——大腦的信號(hào)很多，圖像、氣味一樣能被我們接受，人的信息接口很完善。而計(jì)算機(jī)則不然，接受外部信號(hào)的途徑越多，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)就越復(fù)雜，代價(jià)就越高。因此個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）給所有的外部刺激只留了一種輸入方式——特定格式的電信號(hào)，并對(duì)這種信號(hào)的格式、接入方法、響應(yīng)方法、處理步驟都做了規(guī)約（具體內(nèi)容本文后面部分會(huì)繼續(xù)詳解），這種信號(hào)就是中斷或中斷信號(hào)，而這一整套機(jī)制就是中斷機(jī)制。

其次，計(jì)算機(jī)不懂得如何應(yīng)對(duì)信號(hào)。人類的大腦可以自行處理外部輸入，我從來不用去擔(dān)心鬧鐘響時(shí)會(huì)手足無措——走進(jìn)廚房關(guān)煤氣，這簡直是天經(jīng)地義的事情，還用大腦想啊，小腿肚子都知道——可惜計(jì)算機(jī)不行，沒有程序，它就紋絲不動(dòng)。因此，必須有機(jī)制保證外部中斷信號(hào)到來后，有正確的程序在正確的時(shí)候被執(zhí)行。

還有，計(jì)算機(jī)不懂得如何保持工作的持續(xù)性。我在看電視的時(shí)候如果去廚房關(guān)了煤氣，回來以后能繼續(xù)將電視進(jìn)行到底，不受太大的影響。而計(jì)算機(jī)則不然，如果放下手頭的工作直接去處理“意外”的中斷，那么它就再也沒有辦法想起來曾經(jīng)作過什么，做到什么程度了。自然也就沒有什么“重操舊業(yè)”的機(jī)會(huì)了。這樣的處理方式就不是并發(fā)執(zhí)行，而是東一榔頭，西一棒槌了。

那么，通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何解決這些問題的呢？它是靠硬件和軟件配合來協(xié)同實(shí)現(xiàn)中斷處理的全過程的。我們將通過Intel X86架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)來介紹這一過程。

CPU執(zhí)行完一條指令后，下一條指令的邏輯地址存放在cs和eip這對(duì)寄存器中。在執(zhí)行新指令前，控制單元會(huì)檢查在執(zhí)行前一條指令的過程中是否有中斷或異常發(fā)生。如果有，控制單元就會(huì)拋下指令，進(jìn)入下面的流程：

1. 確定與中斷或異常關(guān)聯(lián)的向量i (0￡i￡255)

2. 尋找向量對(duì)應(yīng)的處理程序

3. 保存當(dāng)前的“工作現(xiàn)場(chǎng)”，執(zhí)行中斷或異常的處理程序

4. 處理程序執(zhí)行完畢后，把控制權(quán)交還給控制單元

5. 控制單元恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，返回繼續(xù)執(zhí)行原程序