中断是计算机科学和电子学中的一个基本概念，指的是硬件或软件发出的信号，请求中央处理器 (CPU) 注意。发生中断时，CPU 会暂停其当前任务并切换到处理中断请求。中断在多任务处理中起着至关重要的作用，使设备和应用程序能够有效地与 CPU 通信。
中断的起源历史以及第一次提及它
中断的概念可以追溯到计算机发展的早期。20 世纪 50 年代，第一台计算机由真空管构成，并依赖于简单的编程序列。随着计算机变得越来越复杂，外围设备的引入，需要一种机制来处理外部事件。
第一次提到中断可以归因于 UNIVAC I 计算机，它是最早的商业化计算机之一。 UNIVAC I 于 1951 年发布，利用基本形式的中断来处理硬件事件，例如输入和输出操作。
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在现代计算机系统中，中断对于有效管理硬件和软件交互至关重要。当硬件设备需要注意或发生特定软件事件时，会触发中断，从而暂停 CPU 的当前任务并将控制权转移到中断处理程序例程。中断处理程序完成其任务后，CPU 会恢复被中断的任务。
中断可分为两大类：硬件中断和软件中断。硬件中断由外围设备（如键盘、鼠标或网卡）从外部产生。另一方面，软件中断通常由软件应用程序产生，以向操作系统请求服务。
中断的内部结构。中断如何工作。
中断的内部结构与 CPU 的架构及其与其他硬件组件的交互密切相关。发生中断时，CPU 会执行以下步骤：
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中断请求 (IRQ)：中断设备或软件向CPU发送中断请求（IRQ）信号，表示需要注意。
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中断控制器：CPU 接收 IRQ 信号并将控制权转交给中断控制器，中断控制器对传入的中断进行优先级排序和管理。现代系统使用能够处理大量中断源的高级中断控制器。
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中断向量：每个中断都与一个中断向量相关联，它是中断类型的唯一标识符。中断控制器使用此向量来定位适当的中断处理程序。
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中断处理程序：中断处理程序是专门用于处理特定类型中断的例程。它处理中断并执行必要的操作，例如从设备读取数据或响应软件请求。
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上下文切换：发生中断时，CPU 会将中断任务的当前状态（包括其程序计数器和寄存器值）保存在称为进程控制块 (PCB) 的数据结构中。这样 CPU 便可以在稍后恢复任务，而不会丢失其进度。
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中断确认：中断处理程序完成其任务后，CPU 确认中断并恢复被中断任务的上下文。然后 CPU 从被中断的位置恢复任务。
中断关键特性分析
中断提供了几个有助于提高现代计算机系统效率和响应能力的关键特性：
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异步通信：中断允许设备和软件与 CPU 异步通信，确保及时处理关键任务，而无需等待 CPU 持续轮询设备。
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优先处理：可以对中断进行优先级排序，确保高优先级中断先于低优先级中断得到服务。这有助于有效管理时间关键型事件。
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事件驱动架构：中断支持事件驱动编程，其中应用程序响应特定事件（例如用户输入或硬件信号），而不是遵循线性序列。
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资源高效利用：通过仅在必要时暂停任务，中断可以更好地利用 CPU 资源，避免在轮询上浪费周期。
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实时处理：中断在实时系统中起着至关重要的作用，在实时系统中及时响应外部事件至关重要，例如在工业自动化或机器人技术中。
中断类型
中断可以根据其来源和功能分为多种类型。以下是常见中断类型的列表：
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| 硬件中断 | 由外部硬件设备生成以请求 CPU 注意。 |
| 软件中断 | 由软件应用程序生成，用于向操作系统请求服务。 |
| 可屏蔽中断 | 可以被 CPU 禁用（屏蔽）的中断，从而阻止其立即处理。 |
| 不可屏蔽中断 | 无法被屏蔽的关键中断，通常用于处理严重的系统错误。 |
| 边缘触发 | 由中断源的信号电平变化（例如上升沿或者下降沿）触发。 |
| 电平触发 | 只要中断信号处于特定状态（例如高或低），就保持有效。 |
中断广泛应用于计算机系统的各个方面。一些常见的应用包括：
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设备交互：硬件中断使键盘、鼠标和网卡等设备能够有效地与 CPU 交互。
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任务切换：操作系统使用中断来实现多任务处理，允许CPU在不同的进程或线程之间切换。
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实时系统：在实时系统中，中断对于处理时间关键事件至关重要，可确保对外部刺激做出立即响应。
尽管有好处，但使用中断也会带来一些挑战：
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中断开销：频繁的中断会带来开销，影响整个系统的性能。
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中断优先级管理：正确确定中断优先级对于避免资源争用和确保及时处理高优先级事件至关重要。
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中断延迟：对于时间敏感的应用程序，应尽量缩短中断请求与其处理之间的时间（中断延迟）。
为了解决这些问题，系统设计人员采用了中断合并、中断抢占和高效中断处理程序等技术。
主要特点及与同类术语的其他比较
中断与轮询:
- 中断是事件驱动的和异步的，而轮询是一种检查事件的连续和同步的方法。
- 中断更加高效，因为它们避免在持续轮询上浪费 CPU 周期。
中断与异常:
- 中断是硬件或软件产生的请求 CPU 注意的外部事件。
- 异常是由于错误条件或特定指令而由 CPU 本身引起的内部事件。
中断与陷阱:
- 中断用于外部事件，而陷阱（也称为软件中断）用于系统调用等内部事件。
随着计算技术的不断进步，中断在处理日益复杂的硬件和软件交互方面仍将发挥至关重要的作用。未来的技术可能侧重于：
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增强的实时功能：研究可能会改进中断处理，以满足实时应用的严格要求。
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节能中断处理：减少便携式设备和数据中心的中断开销和功耗的技术。
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创新的优先排序机制：更复杂的中断优先级方案，以优化资源利用率并确保响应能力。
如何使用代理服务器或将其与中断关联
代理服务器在管理网络环境中的中断方面发挥着重要作用。当多个客户端通过代理访问互联网时，代理可以有效地处理 DNS 解析、缓存内容和管理连接等中断。通过充当中介，代理服务器可以帮助优化网络流量并增强整体浏览体验。
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