中斷是什么？

中斷的漢語解釋是半中間發生阻隔、停頓或故障而斷開。那么，在計算機系統中，我們為什么需要“阻隔、停頓和斷開”呢？

舉個日常生活中的例子，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，有可能就要發生一場災難了。等啊等啊，外邊突然傳來了驚奇的叫聲“怎么不關水龍頭？”于是我慚愧的發現，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候。

這個場景跟中斷有什么關系呢？

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

在這個場景中，我是唯一具有處理能力的主體，不管是燒水、關水龍頭還是看電視，同一個時間點上我只能干一件事情。但是，在我專心致志干一件事情時，總有許多或緊迫或不緊迫的事情突然出現在面前，都需要去關注，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，“把一壺水徹底燒開！”

中斷機制不僅賦予了我處理意外情況的能力，如果我能充分發揮這個機制的妙用，就可以“同時”完成多個任務了。回到燒水的例子，實際上，無論我在不在廚房，煤氣灶總是會把水燒開的，我要做的，只不過是及時關掉煤氣灶而已，為了這么一個一秒鐘就能完成的動作，卻讓我死死地守候在廚房里，在10分鐘的時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分鐘以后它會發出“尖叫”，提醒我爐子上的水燒開了，那時我再去關煤氣也完全來得及。我用一個中斷信號——鬧鈴——換來了10分鐘的歡樂時光，心里不禁由衷地感嘆：中斷機制真是個好東西。

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

跟人相似，CPU也一樣要面對紛繁蕪雜的局面——現實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；有可能是運算中碰到了0除數；還有可能網卡突然接收到了一個新的數據包。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，要么置之不理。無論如何應對，都需要CPU暫停“手頭”的工作，拿出一種對策，只有在響應之后，方能回頭完成先前的使命，“把一壺水徹底燒開！”

計算機系統實現中斷機制是非常復雜的一件工作，再怎么說人都是高度智能化的生物，而計算機作為一個鐵疙瘩，沒有程序的教導就一事無成。而處理一個中斷過程，它受到的限制和需要學習的東西太多了。

首先，計算機能夠接收的外部信號形式非常有限。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。其實現實世界中能輸入人類CPU——大腦的信號很多，圖像、氣味一樣能被我們接受，人的信息接口很完善。而計算機則不然，接受外部信號的途徑越多，設計實現就越復雜，代價就越高。因此個人計算機（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，并對這種信號的格式、接入方法、響應方法、處理步驟都做了規約（具體內容本文后面部分會繼續詳解），這種信號就是中斷或中斷信號，而這一整套機制就是中斷機制。

其次，計算機不懂得如何應對信號。人類的大腦可以自行處理外部輸入，我從來不用去擔心鬧鐘響時會手足無措——走進廚房關煤氣，這簡直是天經地義的事情，還用大腦想啊，小腿肚子都知道——可惜計算機不行，沒有程序，它就紋絲不動。因此，必須有機制保證外部中斷信號到來后，有正確的程序在正確的時候被執行。

還有，計算機不懂得如何保持工作的持續性。我在看電視的時候如果去廚房關了煤氣，回來以后能繼續將電視進行到底，不受太大的影響。而計算機則不然，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作過什么，做到什么程度了。自然也就沒有什么“重操舊業”的機會了。這樣的處理方式就不是并發執行，而是東一榔頭，西一棒槌了。

那么，通用的計算機系統是如何解決這些問題的呢？它是靠硬件和軟件配合來協同實現中斷處理的全過程的。我們將通過Intel X86架構的實現來介紹這一過程。

CPU執行完一條指令后，下一條指令的邏輯地址存放在cs和eip這對寄存器中。在執行新指令前，控制單元會檢查在執行前一條指令的過程中是否有中斷或異常發生。如果有，控制單元就會拋下指令，進入下面的流程：

1. 確定與中斷或異常關聯的向量i (0￡i￡255)

2. 尋找向量對應的處理程序

3. 保存當前的“工作現場”，執行中斷或異常的處理程序

4. 處理程序執行完畢后，把控制權交還給控制單元

5. 控制單元恢復現場，返回繼續執行原程序