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计算机体系结构中的中断服务程序ISR是什么？

在计算机体系结构中，中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR） 是操作系统或硬件直接调用的关键代码模块，用于响应来自硬件设备、软件异常或系统事件的中断信号。其核心任务是快速处理中断事件，确保系统实时性和设备交互的可靠性。

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1. ISR 的本质

• 中断的“处理者”：当CPU收到中断请求（如键盘输入、定时器到期、磁盘I/O完成），会暂停当前任务，转去执行对应的ISR。
• 硬件与软件的桥梁：ISR直接与硬件设备交互（如读取寄存器、清除中断标志），并将数据传递给上层软件（如驱动程序或操作系统）。

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2. 触发ISR的中断类型

中断类型	来源	示例
硬件中断	外部设备（通过中断控制器）	键盘按键、网卡收到数据、定时器到期
软件中断	CPU指令或异常	系统调用（如int 0x80）、除零错误
内部异常	CPU内部事件	缺页异常、非法指令

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3. ISR的执行流程

1. 中断触发
   • 设备（如键盘）通过中断控制器（如APIC）向CPU发送中断信号。
2. 上下文保存
   • CPU自动保存当前任务的寄存器状态（如程序计数器、标志寄存器）。
3. 跳转至ISR
   • 根据中断向量号查询中断描述符表（IDT），定位ISR入口地址。
4. ISR核心操作
   • 关键动作：读取设备数据、清除中断标志、发送EOI（End of Interrupt）信号。
   • 限制：必须短小高效，避免阻塞其他中断。
5. 中断返回
   • 恢复保存的上下文，CPU继续执行原任务。

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4. ISR的设计原则

• 原子性：执行期间通常关闭同级中断（防止嵌套导致竞态条件）。
• 无阻塞：禁止调用可能休眠的函数（如malloc()、sleep()）。
• 数据传递：将耗时操作交给“下半部”（如Linux的tasklet或workqueue）。

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5. 实例：x86键盘ISR（简化版）

// 键盘中断号通常为IRQ1（对应向量号0x21）
void keyboard_isr() {uint8_t scancode = inb(0x60);  // 从键盘控制器读取扫描码handle_keypress(scancode);      // 将按键存入缓冲区（非阻塞操作）outb(0x20, 0x20);              // 向PIC发送EOI信号（x86传统模式）
}

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6. 关键问题与优化

• 中断风暴：若设备频繁中断（如故障网卡），会导致系统瘫痪。
  解决方案：采用轮询+中断混合模式，或限制中断频率。
• 延迟敏感场景：实时系统需优化ISR响应时间（如嵌套中断、优先级抢占）。
• 多核处理：SMP系统中需考虑中断亲和性（将中断绑定到特定CPU核心）。

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7. 相关概念扩展

• 中断向量表（IVT）：实模式下存储ISR地址的数组（256项，每项4字节）。
• 中断描述符表（IDT）：保护模式下定义中断门、陷阱门的结构（含权限位）。
• 中断屏蔽：通过cli（关中断）或操作中断控制器屏蔽特定中断源。

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总结

ISR是计算机响应异步事件的核心机制，其高效性直接影响系统性能和实时性。理解ISR对开发操作系统内核、设备驱动或嵌入式系统至关重要，尤其在需要低延迟和高可靠性的场景（如工业控制、实时数据处理）。