中斷處理和子程序調用概念解析

　　子程序是微機基本程序結構中的1種，基本程序結構包括順序（簡(jiǎn)單）、分支（判斷）、循環(huán)、子程序和查表等5種。

　　子程序是一組可以公用的指令序列，只要給出子程序的入口地址就能從主程序轉入子程序。子程序在功能上具有相對的獨立性，在執行主程序的過(guò)程中往往被多次調用，甚至被不同的程序所調用。一般微機首先執行主程序，碰到調用指令就轉去執行子程序，子程序執行完后，返回指令就返回主程序斷點(diǎn)（即調用指令的下一條指令），繼續執行沒(méi)有處理完的主程序，這一過(guò)程叫做（主程序）調用子程序過(guò)程。

　　子程序結構可簡(jiǎn)化程序，防止重復書(shū)寫(xiě)錯誤，并可節省內存空間。計算機中經(jīng)常把常用的各種通用的程序段編成子程序，提供給用戶(hù)使用。用戶(hù)在自己編寫(xiě)的程序中，只要會(huì )調用這些子程序，就可大大簡(jiǎn)化用戶(hù)編程的困難。

　　中斷是計算機中央處理單元CPU與外設I/O交換數據的一種方式，除此方式外，還有無(wú)條件、條件（查詢(xún)）、存貯器直接存取DMA和I/O通道等四種方式。由于無(wú)條件不可靠，條件效率低，DMA和I/O通道兩方式硬件復雜，而中斷方式CPU效率高，因此一般大多采用中斷方式。中斷概念是當計算機正在執行某一（主）程序時(shí)，收到一中斷請求，如果中斷響應條件成立，計算機就把正在執行的程序暫停一下，去響應處理這一請求，執行中斷服務(wù)程序，處理完服務(wù)程序后，中斷返回指令使計算機返回原來(lái)還沒(méi)有執行完的程序斷點(diǎn)處繼續執行，這一過(guò)程稱(chēng)為中斷過(guò)程。有了中斷，計算機才能具有并行處理，實(shí)時(shí)處理和故障處理等重要功能。

　　主程序在執行過(guò)程中執行子程序，我們稱(chēng)之為子程序調用。

　　完成子程序調用/中斷需要幾個(gè)概念：

　　入口地址。程序是一組指令，第一條指令的地址稱(chēng)為程序的入口地址。

　　中斷和斷口地址。一個(gè)程序在執行的過(guò)程中去執行另一個(gè)程序，我們稱(chēng)之為中斷，程序中斷時(shí)的下一條指令的地址稱(chēng)為程序的斷口地址。

　　保護現場(chǎng)和恢復現場(chǎng)。如果主程序中斷時(shí)，有些寄存器還存放著(zhù)中間結果，而子程序很有可能要占用這些寄存器，那么就要將主程序的中間結果存入其他地方（比如堆棧），把寄存器“讓給”子程序，這個(gè)過(guò)程就是保護現場(chǎng)。待子程序/中斷服務(wù)函數完畢，再將主程序的中間結果放回寄存器，這個(gè)過(guò)程就好似恢復現場(chǎng)。

　　子程序/中斷調用過(guò)程。當主程序轉去執行子程序/中斷時(shí)，首先將斷口地址壓入堆棧保存，然后將子程序的入口地址送入PC。進(jìn)入子程序后首先保護現場(chǎng)，然后執行子程序，子程序執行完畢后，恢復現場(chǎng)，然后將端口地址從棧頂送回PC。

　　我們這里的分析僅僅是一種通用的、籠統的分析，不是在具體一個(gè)CPU上的分析。在一個(gè)具體的CPU的子程序調用及中斷的過(guò)程可能有些不同，

　　但是大體流程還是相同的：現場(chǎng)保護-》執行子程序/中斷服務(wù)函數-》恢復現場(chǎng)。

　　聯(lián)系

　　中斷與調用子程序兩過(guò)程屬于完全不同的概念，但它們也有不少相似之處。兩者都需要保護斷點(diǎn)（即下一條指令地址）、跳至子程序或中斷服務(wù)程序、保護現場(chǎng)、子程序或中斷處理、恢復現場(chǎng)、恢復斷點(diǎn)（即返回主程序）。兩者都可實(shí)現嵌套，即正在執行的子程序再調另一子程序或正在處理的中斷程序又被另一新中斷請求所中斷，嵌套可為多級。

　　正是由于這些表面上的相似處，很容易使學(xué)生把兩者混淆起來(lái)，特別是把中斷也看為子程序，這就大錯特錯了。

　　兩者的根本區別表現在服務(wù)時(shí)間和服務(wù)對象上不一樣。

　　1）調用子程序發(fā)生的時(shí)間是已知的和固定的，即在主程序的調用指令（CALL）執行時(shí)發(fā)生主程序調用子程序過(guò)程，調用指令所在位置是已知的和固定的；而中斷過(guò)程發(fā)生的時(shí)間一般是隨機的，CPU在執行某一主程序時(shí)受到中斷源提出的中斷申請，就發(fā)生中斷過(guò)程，而中斷申請一般由硬件電路產(chǎn)生，申請時(shí)間是隨機的。也可以說(shuō)，調用子程序是程序設計者事先安排好的，而執行中斷服務(wù)程序是由系統工作環(huán)境隨機決定的。

　　2）子程序完全為主程序服務(wù)，兩者屬于主從關(guān)系。主程序需要子程序時(shí)就去調用子程序，并把調用結果帶回主程序繼續執行。而中斷服務(wù)程序與主程序二者一般是無(wú)關(guān)的，兩者是平行關(guān)系。

　　3）主程序調用子程序的過(guò)程完全屬于軟件處理過(guò)程，不需要專(zhuān)門(mén)的硬件電路，而中斷處理系統是一個(gè)軟、硬件結合的系統，需要專(zhuān)門(mén)的硬件電路才能完成中斷處理的過(guò)程。

　　4）子程序嵌套可以實(shí)現若干級，嵌套的最多級數受計算機內存開(kāi)辟的堆棧大小限制；而中斷嵌套級數主要由中斷優(yōu)先級來(lái)決定，一般優(yōu)先級不會(huì )很大。

　　從宏觀(guān)上看，雖然程序中斷方式克服了程序查詢(xún)方式中CPU“踏步”現象，實(shí)現了CPU與IO并行工作，提高了CPU的資源利用率，但從微觀(guān)操作分析，CPU在處理中斷程序時(shí)，仍需暫停原程序的正常運行，尤其是當高速I(mǎi)/O設備或輔助存儲器頻繁地、成批地與主存交換信息時(shí)，需不斷打斷CPU執行現行程序，而執行中斷服務(wù)程序。