操作系统是如何一步步发明中断机制的？

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出品 | 码农的荒岛求生（ID：escape-it）

1960年代初期，你正在开发一个批处理系统，用于自动化处理大量的数据任务。

系统需要频繁地与磁带机和打印机等外部设备交互。然而，这些设备的响应速度远远低于CPU的处理速度。例如，磁带机读取一个数据块需要约100毫秒，而打印机打印一行数据更是需要超过600毫秒。

在等待设备响应的过程中，CPU只能不断地查询设备状态，就像这样：

int poll_count = 0;// 轮询等待打印机就绪while (1) { poll_count++; if (check_printer_status() == PRINTER_READY) { send_to_printer(print_data); break; }}

这就是所谓轮询，这个示例程序通过不断轮询打印机状态来等待设备就绪，只要打印机不READY你就没有办法跳出这个while循环，这导致大量的计算资源被浪费。

灵感时刻

1954年IBM 704的出现给了你灵感，因为这台机器上出现了一种有趣的特性。

IBM 704 具有一个溢出标志位（Overflow Flag, OV），它会在某些算术运算（如加法、乘法等）导致溢出时被设置，程序员可以手动检查这个标志位，并根据需要进行错误处理：

ADD MQ // AC = AC + MQ，可能导致溢出 TOV ERROR // 如果 OV 标志为 1，则跳转到 ERROR 处理异常 TRA CONTINUE // 否则继续执行程序ERROR // 错误处理指令CONTINUE // 继续执行其他指令

你看到后想了一下，为什么要程序员自己手写汇编来检查异常呢，实现在CPU硬件层面就好了，出现A错误就跳转到X代码，出现B错误就跳转到Y代码等等，这样程序员只需要编写正常的处理逻辑就好。

以程序除0错误为例：

void test_division() { int a = 10; int b = 0; // 除数为零 int result = a / b; // CPU立即触发异常处理 // 这行代码永远不会执行 printf("结果是: %dn", result);}

当CPU执行到除法操作时，它能够立即检测到除数为零的情况，并自动跳转到异常处理程序(提前定义好的)，而不是等待程序员自己检查除数是否为零。

中断的发明

这种机制给你带了新的启示：实际上这相当于软件出现异常后可以通知CPU去执行一段异常处理逻辑，而且整个过程非常丝滑，因为异常处理逻辑是提前定义好的，CPU能根据异常类型去执行不同的异常处理逻辑。

到这里你灵光乍现，既然软件能通知CPU那么外部设备显然也可以通知CPU。

可以把上述机制应用在外部设备上，为此你进行了如下设计：

硬件层面：外部设备通过特定的信号线连接到CPU

信号触发：设备就绪时产生电平变化

CPU响应：检测到信号后立即切换到处理程序

任务恢复：处理完成后返回原程序继续执行

这种设计可以让CPU不再需要主动查询设备状态，而是由设备在就绪时主动通知CPU，从而大大减少了CPU资源的浪费，到这里你发明了中断机制。

中断的实现

现在CPU不但能响应软件异常也能响应外部设备，这些统统被称为中断。

只不过来自软件的就被称为软中断，比如除零错误、内存访问违规、系统调用等；来自硬件的就被称之为硬中断，比如I/O设备中断（如打印机、磁盘完成操作）、时钟中断等。

你在自己实现的内核中定义了这些中断类型：

// 中断类型定义typedefenum { // 硬件中断 INT_PRINTER = 0, // 打印机中断 INT_DISK = 1, // 磁盘中断 INT_TIMER = 2, // 时钟中断 INT_KEYBOARD = 3, // 键盘中断 // 软件中断 INT_DIVIDE_BY_ZERO = 4, // 除零错误 INT_PAGE_FAULT = 5, // 页面错误 INT_SYSTEM_CALL = 6, // 系统调用 MAX_INTERRUPT_TYPE = 7} InterruptType;

除此之外你还需要实现中断处理函数，中断处理函数应该能处理所有类型的中断，其本质就是一个函数数组，你将其命名为中断向量表：

// 中断处理函数的类型定义typedef void (*InterruptHandler)(void);// 中断向量表结构typedef struct { InterruptHandler handlers[MAX_INTERRUPT_TYPE]; bool enabled[MAX_INTERRUPT_TYPE]; // 中断使能状态} InterruptVectorTable;

从其定义可以看到：