浅谈中断控制器：从 IRQ 到 IRR、IMR、In-Service Register

在计算机体系结构中，中断是 CPU 感知外设事件的核心机制。无论是键盘输入、网卡收包，还是定时器触发，CPU 都是通过中断来获知这些事件。然而，中断并不是设备直接告诉 CPU，而是要经过一个“前台接待”——可编程中断控制器 (PIC)。本文将带领大家逐步理解 IRQ 线、INTR 信号，以及 PIC 的三大核心寄存器：IRR、IMR、In-Service Register (ISR)，并区分清楚与 中断服务程序 (Interrupt Service Routine, ISR) 的不同。

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1. IRQ 线与 INTR 信号

• IRQ (Interrupt Request) 线
  每个外设通过 IRQ 线向 PIC 发出中断请求。例如：

  • IRQ0：定时器
  • IRQ1：键盘
  • IRQ14：IDE 硬盘

• INTR (Interrupt Request to CPU)
  PIC 收集各 IRQ 请求，判断优先级，然后通过 INTR 总线把最终的请求送给 CPU。

类比：

• IRQ 线 = 客户打电话给前台。
• INTR 信号 = 前台按总机灯提醒经理（CPU）。

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2. PIC 的三大寄存器

2.1 IRR (Interrupt Request Register)

• 作用：记录哪些 IRQ 线已经触发。

• 形式：位图寄存器，每一位对应一条 IRQ 线。

  • IRQn 触发 → IRR[n] = 1

• 理解：相当于“待办清单”。

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2.2 IMR (Interrupt Mask Register)

• 作用：屏蔽某些中断线。

  • IMR[n] = 1 → 屏蔽 IRQn（不让进入 CPU）
  • IMR[n] = 0 → 允许 IRQn

• 理解：相当于“黑名单/静音名单”。

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2.3 In-Service Register (ISR，寄存器)

• 作用：记录哪些中断正在被 CPU 服务中。
• 当 PIC 把某个请求从 IRR 交给 CPU 时，就会把该位从 IRR 移到 ISR。
• CPU 处理完并发送 EOI (End Of Interrupt) 之后，PIC 才会清除对应的 ISR 位。
• 理解：相当于“正在经理办公室里的访客名单”。

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3. 中断服务程序 (Interrupt Service Routine, ISR)

需要特别注意：中断服务程序（Interrupt Service Routine） 与 In-Service Register 只是缩写相同，完全是两个概念。

• In-Service Register：PIC 的硬件寄存器，用来标记“哪个中断正在处理中”。
• Interrupt Service Routine：软件层面的中断处理函数，CPU 响应中断后跳转执行的代码。

当 CPU 收到中断：

1. 保存当前现场（寄存器、EFLAGS、CS:EIP 等）。
2. 根据中断向量号，从 IDT (Interrupt Descriptor Table) 找到对应入口地址。
3. 跳转执行该中断服务程序（ISR routine）。

例如：键盘中断会触发 CPU 执行 keyboard_interrupt_handler() 例程。

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4. 一次中断的生命周期

串起来看整个流程：

1. 设备发请求：

   • 外设触发 IRQn → IRR[n] = 1

2. PIC 检查屏蔽：

   • 若 IMR[n] = 1 → 屏蔽，不会送到 CPU
   • 若 IMR[n] = 0 → 有资格继续

3. PIC 选中请求：

   • 将 IRR[n] 移到 In-Service Register[n]
   • 拉高 INTR → 通知 CPU

4. CPU 响应：

   • 保存上下文
   • 跳转执行中断服务程序 (ISR routine)

5. 中断结束：

   • 中断服务程序执行完毕 → CPU 向 PIC 发送 EOI
   • PIC 清除 In-Service Register[n]
   • 流程结束

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5. 示例：键盘中断

1. 用户敲键 → IRQ1 → IRR[1] = 1
2. PIC 检查 → IMR[1] = 0 → 合格
3. PIC 把 IRR[1] → In-Service Register[1]，并拉高 INTR
4. CPU 响应 → 执行 keyboard_interrupt_handler() 中断服务程序
5. 程序执行完 → CPU 发 EOI → PIC 清除 In-Service Register[1]

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6. 总结对比

缩写	全称	所属层	含义	类比
IRR	Interrupt Request Register	硬件 (PIC)	记录“谁来敲门了”	待办清单
IMR	Interrupt Mask Register	硬件 (PIC)	屏蔽“谁不许进来”	黑名单
In-Service Register	In-Service Register	硬件 (PIC)	标记“谁正在被处理”	办公室访客
ISR routine	Interrupt Service Routine	软件 (OS/驱动)	CPU 响应中断后执行的函数	会谈过程

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7. 总结

通过区分 寄存器 (IRR/IMR/In-Service Register) 与 中断服务程序 (ISR routine)，我们可以完整理解中断的生命周期。

PIC 就像是一个严格的前台调度员：

• IRR 记录来访，
• IMR 过滤名单，
• In-Service Register 跟踪正在服务的客户，
• 而 CPU 最终会跳转到相应的中断服务程序来完成处理。

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笔者如果在某些地方理解的不正确，还望大家批评指正！