计算机组成原理（下）-中断系统

# 1. 引言

## 计算机组成原理简介

计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的一门基础课程，主要研究计算机硬件系统的组成、结构和工作原理。它涵盖了诸多计算机硬件方面的知识，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等。

计算机组成原理的学习对于理解计算机底层工作机制以及进行系统优化和性能调优非常重要。通过学习计算机组成原理，我们可以了解到不同硬件组件之间的协作方式，以及如何通过合理的设计方案提高计算机的性能和可靠性。

## 中断系统的重要性和作用

在计算机系统中，中断是一种机制，用于处理突发事件和外部设备请求，使计算机能够实时响应各种事件。中断系统的主要作用是打破了程序的顺序执行，使计算机能够及时响应外部事件并进行处理。

中断系统的重要性主要体现在以下几个方面：

1. 实时性：由于中断机制的存在，计算机能够在出现紧急情况时迅速作出响应，提高了计算机系统的实时性和响应速度。

2. 外设管理：中断系统可以对外部设备的请求进行管理和调度，使计算机能够高效地与外部设备进行交互。

3. 多任务处理：通过中断系统，计算机能够在不同任务之间进行切换和调度，实现多任务处理，提高系统的并发性和效率。

总之，中断系统是计算机系统不可或缺的一部分，它能够有效地提高计算机系统的性能和可靠性，为实时系统和并发式系统的开发提供了基础支持。

# 2. 中断概述

中断是计算机系统中的一种重要机制，用于处理来自外部设备或内部事件的突发性请求。当系统接收到一个中断请求时，会暂停当前执行的任务，转而去处理中断请求，然后再返回到原来的任务中继续执行。中断系统的设计和实现可以提高计算机的可靠性、实时性以及处理能力。

### 2.1 什么是中断

中断是计算机系统中一种用于处理外部或内部事件的机制。它是一种由硬件设备或软件程序触发的特殊信号或事件，用于中断当前正在执行的程序，转而处理某个指定的任务。中断可以是计算机系统与外设进行交互的主要方式之一，使得计算机能够及时响应外部设备的请求，并在必要时进行相应的处理。

### 2.2 中断的分类和特点

中断可以根据其来源和处理方式进行分类。根据来源可以分为外部中断和内部中断。外部中断是由外部设备引起的，如键盘输入、鼠标点击等。内部中断则是由CPU内部的事件引起的，如除数为零、访问非法地址等。根据处理方式可以分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。可屏蔽中断可以通过控制屏蔽信号的方式来屏蔽或允许中断请求的处理，而不可屏蔽中断则无法被屏蔽。

中断具有以下特点：

- 实时性：中断系统可以及时响应外部事件或内部事件，提高计算机的响应速度。
- 可靠性：通过中断系统，计算机可以在处理外部事件时避免丢失数据或发生错误。
- 并发性：中断系统可以使计算机同时处理多个中断请求，提高系统的并发处理能力。
- 灵活性：中断系统可以根据不同任务的需求进行设置和调整，以适应不同应用场景的要求。

# 3. 中断系统的组成

中断系统由三个主要部分组成，它们共同协作以便及时响应和处理各种中断请求。这三个主要部分分别是中断控制器、中断向量表和中断处理程序。

#### 3.1 中断控制器

中断控制器是中断处理的重要组成部分，负责管理和协调不同来源的中断请求。它可以通过优先级或其他策略来确定哪个中断请求应该被优先处理。在实际情况中，中断控制器通常是一个芯片，比如Intel 8259A芯片，它可以管理8个不同的中断请求。现代计算机系统则采用APIC（高级可编程中断控制器）来支持更多的中断请求并提供更灵活的中断控制功能。

# 以Python为例，使用APScheduler库模拟中断控制器的功能
from apscheduler.schedulers.background import BackgroundScheduler

# 创建一个后台调度器
scheduler = BackgroundScheduler()

# 定义一个中断处理函数
def handle_interrupt():
    print("中断处理程序正在执行...")

# 添加一个周期性的中断任务，每5秒触发一次
scheduler.add_job(handle_interrupt, 'interval', seconds=5)

# 启动中断控制器
scheduler.start()

上述Python代码使用APScheduler库模拟了一个中断控制器的功能，定时触发中断处理函数，以实现对中断请求的管理和处理。

#### 3.2 中断向量表

中断向量表是一个存储中断处理程序入口地址的数据结构，当CPU接收到中断请求时，会根据中断号在中断向量表中查找对应的中断处理程序的入口地址，并跳转到该地址开始执行中断处理程序。

在x86架构中，中断向量表由256个条目组成，每个条目对应一个中断号，条目中存储了对应中断号的中断处理程序的入口地址。

// 在Java中，可以使用数组来模拟中断向量表
int[] interr