中斷處理和子程序調(diào)用概念解析

　　子程序是微機(jī)基本程序結(jié)構(gòu)中的1種，基本程序結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)入子程序。子程序在功能上具有相對(duì)的獨(dú)立性，在執(zhí)行主程序的過(guò)程中往往被多次調(diào)用，甚至被不同的程序所調(diào)用。一般微機(jī)首先執(zhí)行主程序，碰到調(diào)用指令就轉(zhuǎn)去執(zhí)行子程序，子程序執(zhí)行完后，返回指令就返回主程序斷點(diǎn)（即調(diào)用指令的下一條指令），繼續(xù)執(zhí)行沒(méi)有處理完的主程序，這一過(guò)程叫做（主程序）調(diào)用子程序過(guò)程。

　　子程序結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化程序，防止重復(fù)書寫錯(cuò)誤，并可節(jié)省內(nèi)存空間。計(jì)算機(jī)中經(jīng)常把常用的各種通用的程序段編成子程序，提供給用戶使用。用戶在自己編寫的程序中，只要會(huì)調(diào)用這些子程序，就可大大簡(jiǎn)化用戶編程的困難。

　　中斷是計(jì)算機(jī)中央處理單元CPU與外設(shè)I/O交換數(shù)據(jù)的一種方式，除此方式外，還有無(wú)條件、條件（查詢）、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(fù)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(dāng)計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行某一（主）程序時(shí)，收到一中斷請(qǐng)求，如果中斷響應(yīng)條件成立，計(jì)算機(jī)就把正在執(zhí)行的程序暫停一下，去響應(yīng)處理這一請(qǐng)求，執(zhí)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(jì)算機(jī)返回原來(lái)還沒(méi)有執(zhí)行完的程序斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行，這一過(guò)程稱為中斷過(guò)程。有了中斷，計(jì)算機(jī)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(zhí)行過(guò)程中執(zhí)行子程序，我們稱之為子程序調(diào)用。

　　完成子程序調(diào)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為程序的入口地址。

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

　　保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。如果主程序中斷時(shí)，有些寄存器還存放著中間結(jié)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(jié)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)。待子程序/中斷服務(wù)函數(shù)完畢，再將主程序的中間結(jié)果放回寄存器，這個(gè)過(guò)程就好似恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。

　　子程序/中斷調(diào)用過(guò)程。當(dāng)主程序轉(zhuǎn)去執(zhí)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后執(zhí)行子程序，子程序執(zhí)行完畢后，恢復(fù)現(xiàn)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(tǒng)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(diào)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(xiàn)場(chǎng)保護(hù)-》執(zhí)行子程序/中斷服務(wù)函數(shù)-》恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。

　　聯(lián)系

　　中斷與調(diào)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(hù)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)、子程序或中斷處理、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)斷點(diǎn)（即返回主程序）。兩者都可實(shí)現(xiàn)嵌套，即正在執(zhí)行的子程序再調(diào)另一子程序或正在處理的中斷程序又被另一新中斷請(qǐng)求所中斷，嵌套可為多級(jí)。

　　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(cuò)特錯(cuò)了。

　　兩者的根本區(qū)別表現(xiàn)在服務(wù)時(shí)間和服務(wù)對(duì)象上不一樣。

　　1）調(diào)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(diào)用指令（CALL）執(zhí)行時(shí)發(fā)生主程序調(diào)用子程序過(guò)程，調(diào)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(jī)的，CPU在執(zhí)行某一主程序時(shí)受到中斷源提出的中斷申請(qǐng)，就發(fā)生中斷過(guò)程，而中斷申請(qǐng)一般由硬件電路產(chǎn)生，申請(qǐng)時(shí)間是隨機(jī)的。也可以說(shuō)，調(diào)用子程序是程序設(shè)計(jì)者事先安排好的，而執(zhí)行中斷服務(wù)程序是由系統(tǒng)工作環(huán)境隨機(jī)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(diào)用子程序，并把調(diào)用結(jié)果帶回主程序繼續(xù)執(zhí)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(diào)用子程序的過(guò)程完全屬于軟件處理過(guò)程，不需要專門的硬件電路，而中斷處理系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)，需要專門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(xiàn)若干級(jí)，嵌套的最多級(jí)數(shù)受計(jì)算機(jī)內(nèi)存開(kāi)辟的堆棧大小限制；而中斷嵌套級(jí)數(shù)主要由中斷優(yōu)先級(jí)來(lái)決定，一般優(yōu)先級(jí)不會(huì)很大。

　　從宏觀上看，雖然程序中斷方式克服了程序查詢方式中CPU“踏步”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了CPU與IO并行工作，提高了CPU的資源利用率，但從微觀操作分析，CPU在處理中斷程序時(shí)，仍需暫停原程序的正常運(yùn)行，尤其是當(dāng)高速I/O設(shè)備或輔助存儲(chǔ)器頻繁地、成批地與主存交換信息時(shí)，需不斷打斷CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序，而執(zhí)行中斷服務(wù)程序。