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(diào)用和二級函數(shù)調(diào)用執(zhí)行的過程，那么中斷服務(wù)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(zhuǎn)去處理所發(fā)生的事件。中斷服務(wù)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(yīng)及處理過程

回顧函數(shù)調(diào)用的過程，子程序由主程序進行調(diào)用，從而完成執(zhí)行。但是中斷服務(wù)子程序并沒有被主程序進行調(diào)用，中斷服務(wù)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(wù)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(diào)用的子程序的內(nèi)容的時候產(chǎn)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(diào)用的子程序的內(nèi)容，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容，如果不進行額外的處理，那么函數(shù)調(diào)用的子程序的相關(guān)數(shù)據(jù)將丟失，因此在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序之前，CPU 必須要保存發(fā)生中斷的那個地方的相關(guān)信息，這個操作用專業(yè)的術(shù)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(wù)子程序的內(nèi)容，執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序的內(nèi)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(fù)現(xiàn)場，恢復(fù)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(wù)子程序和函數(shù)調(diào)用子程序的返回地址所遵循的原理是一樣的，函數(shù)調(diào)用子程序的返回地址是函數(shù)調(diào)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(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容，然后中斷服務(wù)子程序的返回地址對應(yīng)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(nèi)容中，說到 CPU 在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(fù)位后默認使用的堆棧指針，用于操作系統(tǒng)內(nèi)核和中斷處理程序，線程堆棧指針(PSP)是由用戶的應(yīng)用程序代碼所使用。那么在執(zhí)行現(xiàn)場保護時將相關(guān)寄存器的值壓入堆棧，應(yīng)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(yīng)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(wù)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(yīng)中斷時產(chǎn)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(wù)子程序的內(nèi)容之后，又將執(zhí)行恢復(fù)現(xiàn)場的操作，這個時候堆棧的內(nèi)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(nèi)容，圖片如下：

上述就是保護現(xiàn)場時所壓入堆棧的相關(guān)寄存器，另外還需注意的一點是當所涉及的中斷服務(wù)子程序邏輯比較復(fù)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(wù)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(nèi)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(wù)子程序的內(nèi)容，也闡述了在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)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(wù)子程序的內(nèi)容之后需要進行恢復(fù)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(shè)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(wù)子程序所一一對應(yīng)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(yīng)的中斷服務(wù)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(fù)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(yīng)的表項，該表項的值為該中斷源對應(yīng)的中斷服務(wù)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(nèi)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(yīng)的中斷服務(wù)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(wù)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(wù)函數(shù)的寫法

中斷服務(wù)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(nèi)核的特點，在執(zhí)行完中斷服務(wù)函數(shù)后的返回指令與普通函數(shù)調(diào)用的返回指令是一樣的，因此中斷服務(wù)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(wù)函數(shù)

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    /* 確保是否產(chǎn)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(wù)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(wù)函數(shù)本來就不是由主程序進行調(diào)用的，既然中斷服務(wù)函數(shù)不會被其他函數(shù)所調(diào)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(wù)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(yīng)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(wù)函數(shù)的返回地址時用的指令和普通函數(shù)調(diào)用時的返回地址的指令一致，所以才能夠使中斷服務(wù)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(wù)函數(shù)的例子：

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

上述的這個中斷服務(wù)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(guān)鍵字interrupt，從而讓 CPU 知道這個是一個中斷服務(wù)函數(shù)。

中斷的嵌套

C 語言函數(shù)能夠進行嵌套調(diào)用，同樣的中斷服務(wù)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(diào)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(chǎn)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(yīng)新的中斷，如果產(chǎn)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(guān)。

總結(jié)

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

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