筆者能力有限，如果文中出現(xiàn)錯誤的地方，還請各位朋友能夠給我指出來，我將不勝感激，謝謝~

前言

筆者在 《程序是如何在 CPU 中運行的(二)》中從 PC 指針寄存器的角度分析了一級函數(shù)調用和二級函數(shù)調用執(zhí)行的過程，那么中斷服務子程序又是如何被執(zhí)行的呢？兩者的相同點和不同點是什么呢？該篇文章筆者將詳細地闡述這個概念。

中斷的概念

當 CPU 正在處理某件事情的時候，外部發(fā)生的某一事件請求 CPU 迅速去處理，于是，CPU 暫時中止當前的工作，轉去處理所發(fā)生的事件。中斷服務處理完該事件以后，再回到原來被中止的地方，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱之為中斷，示意圖如下：

中斷響應及處理過程

回顧函數(shù)調用的過程，子程序由主程序進行調用，從而完成執(zhí)行。但是中斷服務子程序并沒有被主程序進行調用，中斷服務子程序的執(zhí)行是通過中斷請求完成的，也就是說中斷服務子程序可以發(fā)生在主程序執(zhí)行的隨意位置，那現(xiàn)在就面臨一個問題了，如果當CPU 正在執(zhí)行函數(shù)調用的子程序的內容的時候產生了一個中斷請求，那么這個時候 CPU 將暫停執(zhí)行函數(shù)調用的子程序的內容，轉而去執(zhí)行中斷服務子程序的內容，如果不進行額外的處理，那么函數(shù)調用的子程序的相關數(shù)據(jù)將丟失，因此在執(zhí)行中斷服務子程序之前，CPU 必須要保存發(fā)生中斷的那個地方的相關信息，這個操作用專業(yè)的術語來講就是保護現(xiàn)場，保護現(xiàn)場之后，CPU 將執(zhí)行中斷服務子程序的內容，執(zhí)行完中斷服務子程序的內容之后，CPU 要回到剛剛暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行，另外在返回之前，CPU 還要進行恢復現(xiàn)場，恢復現(xiàn)場之后，就可以返回到暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行了，下面是整個過程的示意圖：

通過上述示意圖我們也可以看到在返回地址這個地方，中斷服務子程序和函數(shù)調用子程序的返回地址所遵循的原理是一樣的，函數(shù)調用子程序的返回地址是函數(shù)調用指令的下一條指令的地址，而在上述示意圖中的 N 和 N+1 的含義也是類似的，當 CPU 執(zhí)行到第 N 條指令的時候，CPU 接收到了一個中斷請求，在執(zhí)行完第 N 條指令之后，轉而去執(zhí)行中斷服務子程序的內容，然后中斷服務子程序的返回地址對應的是第 N+1 條指令的地址。

中斷的堆棧占用

在剛剛所述的內容中，說到 CPU 在執(zhí)行中斷服務子程序的內容之前，需要保護現(xiàn)場，那保護現(xiàn)場這個操作具體是怎么實現(xiàn)的呢？這個時候，就要用到我們的堆棧了。在這里拿 ARM Cortex M3 舉例，在響應中斷時所做的第一個操作就是保護現(xiàn)場，它會依次把 xPSR,PC,LR,R12以及 R3-R0 由硬件自動壓入適當?shù)亩褩Ｖ?，注意，這里是自動壓入堆棧，也就是說如果我們看對應的匯編代碼是看不到這部分壓棧操作的。另外，我們知道對于 ARM Cortex M3 的堆棧指針來說，它存在兩個，一個是主堆棧指針(MSP)，一個是線程堆棧指針(PSP),其中主堆棧指針是復位后默認使用的堆棧指針，用于操作系統(tǒng)內核和中斷處理程序，線程堆棧指針(PSP)是由用戶的應用程序代碼所使用。那么在執(zhí)行現(xiàn)場保護時將相關寄存器的值壓入堆棧，應該使用哪個堆棧指針呢？這也是存在一個原則的，如果在響應中斷時，當前的代碼正在使用線程堆棧(PSP)，那么將使用線程堆棧指針(PSP)進行壓棧，否則將使用主堆棧指針(MSP)。另外在 CPU 進入中斷服務子程序之后，所涉及的堆棧操作所使用的堆棧一直是主堆棧指針(MSP)。為了更直觀的展示這個過程，下圖是發(fā)生中斷請求后，堆棧的變化示意圖：

通過上圖我們可以很清楚地看到在響應中斷時產生的保護現(xiàn)場操作，堆棧明顯增長了，而在執(zhí)行完中斷服務子程序的內容之后，又將執(zhí)行恢復現(xiàn)場的操作，這個時候堆棧的內容又減少了。
為了更清楚地展示壓入堆棧寄存器的操作，筆者在這里也給出上述圖中堆棧粉色部分的詳細內容，圖片如下：

上述就是保護現(xiàn)場時所壓入堆棧的相關寄存器，另外還需注意的一點是當所涉及的中斷服務子程序邏輯比較復雜的時候，就需要更多的寄存器了，這個時候就需要用到 R4-R11 了，但是這部分寄存器是不能進行自動壓棧的，也就是說如果在中斷服務子程序中使用到這部分寄存器的時候就需要進行手動壓棧，那么這部分的壓棧操作在匯編層面就能看到了。

中斷向量表

在上述所闡述的內容中，我們知道了中斷會在主程序的任意發(fā)生中斷請求，從而執(zhí)行中斷服務子程序的內容，也闡述了在執(zhí)行中斷服務子程序的內容之前需要進行保護現(xiàn)場的操作，以及執(zhí)行完中斷服務子程序的內容之后需要進行恢復現(xiàn)場。現(xiàn)在我們再來思考，在 CPU 中，中斷源不止一種，可以是按鍵按下所觸發(fā)的一個外部中斷，也可能是在使用串行通信時，收到數(shù)據(jù)所觸發(fā)的一個中斷，亦或是在 CPU 中定義的一個定時中斷由于設置的時間到了而觸發(fā)的定時中斷，這個時候，就浮現(xiàn)一個問題了，要如何將這一個一個的中斷源與其各自的中斷服務子程序所一一對應起來呢？換句更為通俗的話來講就是當 CPU 接收到一個中斷信號時，CPU 將如何找到對應的中斷服務子程序進行執(zhí)行呢？這個時候，就需要中斷向量表了，下面是中斷向量表的特點：

• 中斷向量表在 CPU 中是一段連續(xù)的存儲空間

• 中斷向量表在 CPU 復位后有默認的起始地址

• 每一個中斷在中斷向量表中都有對應的表項，該表項的值為該中斷源對應的中斷服務程序的地址

• 由程序代碼確定中斷向量表中的每個表項

上述特點說中斷向量表都存在默認的起始地址，在這里依舊拿 ARM Cortex M3 內核來看，它的中斷向量表默認的起始地址是從地址 0x0000 0000 開始的，如下圖所示：

當然這只是一部分，并不是全部的表項。有了中斷向量表之后，那么當 CPU 接收到中斷請求的時候，就會根據(jù)這個中斷請求的信號去查這個表，從而查找到其所對應的中斷服務子程序的地址，然后將這個地址賦值給 PC 指針寄存器就，那么 CPU 就可以完成中斷服務子程序的執(zhí)行了，對于 PC 指針寄存器不是太清楚地朋友可以看筆者的這篇文章 《程序是如何在 CPU 中運行的(二)》。

中斷服務函數(shù)的寫法

中斷服務函數(shù)的寫法不同的 CPU 有各自不同的寫法，對于 ARM Cortex M3 的 CPU 來說，因為其內核的特點，在執(zhí)行完中斷服務函數(shù)后的返回指令與普通函數(shù)調用的返回指令是一樣的，因此中斷服務函數(shù)的寫法與 C 語言中普通函數(shù)的定義沒有區(qū)別，比如下面是 STM32F103 的一個外部中斷的服務函數(shù)

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    /* 確保是否產生了中斷 */
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) 
    {   
        /*用戶代碼*/
        /*清除中斷標志位*/
        EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_INT_EXTI_LINE);     
    }  
}

通過上述的代碼我們可以看到中斷服務函數(shù)的另一個特點，就是它的返回值和形參都為 void ，這也是由原因的，因為中斷服務函數(shù)本來就不是由主程序進行調用的，既然中斷服務函數(shù)不會被其他函數(shù)所調用，那么其返回值和形參自然是 void 了，要使得 CPU 能夠找到中斷服務子程序，那么這個函數(shù)的函數(shù)名不是隨意命名的，比如這里的 EXTI0_IRQHandler,這個函數(shù)名與中斷向量表中表項的值是對應起來的，因為函數(shù)名從數(shù)值上看代表的是函數(shù)的入口地址。
上述說到是因為 ARM Cortex M3 的 CPU 在處理中斷服務函數(shù)的返回地址時用的指令和普通函數(shù)調用時的返回地址的指令一致，所以才能夠使中斷服務函數(shù)的寫法與普通 C 語言函數(shù)沒有差異，下面舉一個 51 單片機的定時器中斷服務函數(shù)的例子：

void InterruptTimer0() interrupt 1
{
    /*省略*/
}

上述的這個中斷服務函數(shù)， InterruptTimer0可以任意命名，但是括號后面的是有嚴格規(guī)定的，為了 51 單片機能夠進行中斷處理，C51 編譯器對函數(shù)進行了擴展，增加了一個擴展關鍵字interrupt，從而讓 CPU 知道這個是一個中斷服務函數(shù)。

中斷的嵌套

C 語言函數(shù)能夠進行嵌套調用，同樣的中斷服務函數(shù)也能夠進行嵌套，同樣的用一張圖來表明中斷的嵌套：

可以看到中斷的嵌套也是在消耗堆棧的，和使用函數(shù)嵌套調用一個道理，這里需要注意的是中斷是存在優(yōu)先級的，如果發(fā)生了一個比當前執(zhí)行的中斷優(yōu)先級低的中斷請求，那么新產生的中斷請求會等待正在執(zhí)行的中斷執(zhí)行完成之后才開始響應新的中斷，如果產生的中斷的優(yōu)先級比當前的優(yōu)先級要高，那么也就會像上圖所示一樣進行執(zhí)行。另外需要注意的是，中斷的優(yōu)先級是有限的，也就是說中斷嵌套的層數(shù)是有限的，如果再考慮堆棧溢出的話，那么中斷嵌套的層數(shù)還和堆棧的大小有關。

總結

上述就是關于中斷的相關內容，簡單地敘述了中斷是如何響應的，如何執(zhí)行保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場的操作，CPU 如何根據(jù)中斷向量表找到對應的中斷服務函數(shù)，以及中斷的嵌套，這就是這次分享的全部內容啦~

如果覺得我的文章對您有所幫助，歡迎點擊在看鼓勵一下吶~