问题

为什么Interrupt需要存储PSW(程序状态字)但子程序调用不需要?

回答
这涉及到计算机系统中处理程序执行流程的两个非常重要的机制:中断和子程序调用。虽然它们都能改变程序的执行顺序,但它们的目的和发生的原因截然不同,这直接决定了它们在保存和恢复CPU状态时所需的细节程度。

我们先从最本质的区别说起:

中断 (Interrupt):是一种异步的、由外部或内部事件触发的、非预期的改变CPU执行流程的事件。它的发生时机是不可预测的,可能在任何一条指令执行的过程中。中断的目的是为了响应一些需要立即处理的事情,例如 I/O 设备完成操作、时钟计时到期、或发生了硬件错误。CPU在处理中断时,需要暂时放下当前正在执行的任务,去处理中断服务程序(ISR),之后还需要能够完美地恢复到中断发生前的那一刻,就像什么都没发生过一样。

子程序调用 (Subroutine Call):是一种同步的、由程序自身发起的、预期的改变CPU执行流程的事件。当程序执行到某条调用指令时,它明确地知道要跳转到另一个代码块(子程序或函数)去执行。执行完毕后,子程序会返回到调用点,继续执行原来的程序。

现在我们来深入分析为什么中断需要存储PSW,而子程序调用通常不需要,或者说只需要存储很少的必要信息。

中断为何必须存储PSW?

PSW(Program Status Word,程序状态字)是一个非常关键的寄存器,它包含了CPU当前状态的各种信息。这些信息大致可以分为几类:

1. 指令计数器 (Program Counter, PC) 的下一个值:这决定了CPU下一条要执行的指令在哪里。
2. 条件码 (Condition Codes):比如零标志 (ZF)、进位标志 (CF)、溢出标志 (OF)、负标志 (NF) 等。这些标志位通常是算术逻辑运算的结果,会影响后续的条件分支指令。
3. CPU模式/特权级别 (CPU Mode/Privilege Level):指示CPU当前是运行在用户模式还是内核模式。中断通常会从用户模式切换到内核模式来执行安全的中断服务程序。
4. 中断屏蔽状态 (Interrupt Mask Status):表示当前CPU是否允许响应某些类型的外部中断。
5. 其他控制位:可能包括方向标志 (DF)、中断使能/禁止标志 (IF) 等。

中断之所以需要保存 PSW,是因为中断打断了正在执行的正常程序流,并且中断服务程序(ISR)很可能需要在不同的CPU模式下运行,或者执行一些会影响条件码的操作。当ISR执行完毕后,CPU必须能够精确地“穿越”回来,回到中断发生的那一瞬间继续执行。

设想一下这个场景:

你的程序正在执行一条复杂的算术指令,这条指令运算的结果设置了零标志位 (ZF=0) 和进位标志位 (CF=1)。CPU正准备执行下一条指令,而这条指令是一个条件跳转(比如“如果ZF=0,则跳转到XXX”)。就在此时,一个外部中断发生了(比如鼠标移动了)。

如果中断不保存 PSW:CPU会立即跳转到中断服务程序。ISR执行过程中,可能会执行很多其他指令,这些指令会彻底改变 PSW 中的条件码。当ISR完成后,CPU尝试返回。如果它只保存了PC(指明下一条要执行的指令地址),那么它会跳回到中断发生那一刻的下一条指令。但是,这条中断指令之前的条件跳转指令,它依赖的条件码(ZF和CF)可能已经因为ISR的执行而被完全覆盖了。CPU不知道中断前是ZF=0还是ZF=1,因此它无法正确地决定是否跳转。程序的逻辑就会完全混乱。

如果中断保存了 PSW:在跳转到ISR之前,CPU会将完整的 PSW(包括当前的PC值、ZF=0、CF=1 等所有信息)压栈(保存到内存中的一个区域,通常是栈)。ISR执行完毕后,CPU会从栈中弹出完整的 PSW,然后将这些值恢复到CPU的 PSW 寄存器中。这样,CPU就精确地回到了中断发生前的那一刻,并且它知道之前的 ZF 是 0,所以它能正确地执行“如果ZF=0,则跳转到XXX”这条指令,恢复了程序的正常执行流程。

总结来说,中断需要保存 PSW 是因为中断的不可预测性,以及ISR执行过程中对CPU状态(尤其是条件码和CPU模式)的潜在修改。保存 PSW 是为了实现一个“无缝切换”和“精确恢复”,确保原始程序可以在中断处理完成后继续正确执行,就像中断从未发生过一样。

子程序调用为何不需要存储PSW?

与中断不同,子程序调用是程序设计的一部分,是可控的、预期的。

1. 目的明确:子程序调用的目的是为了代码的模块化、复用和结构化。它不是为了响应突发事件。
2. 执行环境可控:子程序调用通常在相同的CPU模式下执行(除非子程序本身设计为切换模式,但这是一种特殊的、可预测的设计)。
3. 调用者和被调用者之间的协议:子程序调用遵循一个明确的“协议”,通常是通过栈来传递参数和返回地址。

当我们调用一个子程序时(比如 `CALL SUB_ROUTINE`),CPU执行的动作是:

1. 保存返回地址:将下一条指令的地址(也就是当前指令之后的那条指令的地址)压栈。这告诉子程序执行完后应该跳回哪里。
2. 跳转到子程序入口:将控制权转移到子程序的起始地址。

子程序执行完毕后,通常会执行一个返回指令(`RET`)。这个指令会:

1. 从栈中弹出返回地址:恢复PC的值,使其指向中断发生前的那条指令。
2. 继续执行:CPU就可以从子程序调用点之后的下一条指令开始执行。

那么,为什么不需要保存 PSW 的其他部分?

条件码 (Condition Codes):子程序执行过程中可能会修改条件码。但这种修改是在子程序的逻辑范围内的。调用者调用子程序,通常是期望子程序执行一个特定的任务,并可能依赖于子程序的返回信息(例如,通过寄存器返回一个结果)。如果子程序需要影响调用者的条件码,它通常会通过返回的某个寄存器来“间接”影响,或者调用者在调用子程序之前就明确知道子程序可能会如何影响条件码,并在调用后进行处理。更重要的是,当子程序执行完返回时,它不会改变调用者在调用它之前的、那些影响后续执行的条件码状态。PSW 中的条件码是与“当前正在执行的指令”紧密相关的,当子程序调用结束后,CPU会回到调用点,并且“逻辑上”是在继续执行调用点之后的指令。此时,对调用者来说,最重要的不是中断前的条件码,而是子程序返回后所处的“新状态”。
当然,有些复杂的子程序(例如处理数学库中的复杂函数)确实会改变CPU内部的条件标志。但通常情况下,一个标准的子程序调用机制,其设计的目标并不是要让子程序像中断一样“完美还原”调用者之前的任何 CPU 状态。子程序被设计为执行一个任务,其结果由返回值(寄存器或栈中)来体现。如果子程序需要返回“条件码”这样的信息,它也会通过寄存器来完成。

CPU模式:子程序调用通常在相同的CPU模式下进行。如果子程序需要切换模式(例如,调用一个需要管理员权限才能执行的功能),那么这种模式切换本身就是子程序设计的一部分,并且它会在子程序内部处理好模式的切换和恢复,而不是由通用的调用机制来处理。

中断屏蔽状态:同样,中断屏蔽状态也是子程序自身的逻辑来控制的。一个子程序可以根据需要临时屏蔽或使能某些中断(通过修改IF标志等),但它负责在返回之前恢复这些标志位,以保证调用者不受影响。

关键区别在于“期望的恢复程度”和“控制权”。

中断需要精确地恢复到中断发生前的完全相同的CPU状态,因为中断的发生是外生的、非计划的,我们没有其他信息来知道中断后应该如何继续执行,只能依靠保存的原状态。
子程序调用则是一种合作。调用者知道要调用子程序,它信任子程序会完成任务并返回。子程序的成功与否,或者它执行的结果,通常是通过返回的显式信息(如寄存器返回值)来传递的,而不是通过隐式地恢复CPU的全部状态。子程序通常被期望不破坏调用者后续执行所需的关键状态(例如,不要随意修改栈指针之外的其他通用寄存器,除非这是子程序的约定)。

想象一下一个比喻:

中断就像是你的手机响了,你正在做饭。你得暂停烹饪,接电话,然后挂断电话后,你得记得电话响之前你在切什么菜、火候怎么样,然后继续切菜,调整火候。你需要记住“刚才的一切”。保存 PSW 就是把“切到一半的菜刀”、“油温大概是多少”、“锅里是什么状态”都记下来,然后接完电话,再按原样恢复。
子程序调用就像是你请了一个厨师来做一道菜。你告诉他要做什么菜(参数),然后他去厨房忙活。你不需要关心他切菜的刀工、火候的微调,你只需要等他把菜做好端上来(返回值)。他可能会清理厨房台面(恢复自己使用的寄存器),但你不需要他告诉你“我刚才把油倒在哪个位置,放了多少盐”,你只关心菜的味道好不好。

所以,PSW 中包含了太多与CPU当前执行上下文高度相关的信息,而这些信息对于子程序调用的“协作式”流程来说,是可以通过其他更直接、更集中的方式(如返回值、子程序内部的栈管理)来传递或处理的。中断则没有这些可选的替代方案,它必须依赖PSW来完成精确恢复。

网友意见

user avatar

其实这是一个高级语言的编译器行为。


因为高级语言的子程序不需要获得调用者的PSW(EFLGAS)信息。

以x86环境为例:

       CMP EAX, EBX JZ XXX     

如果在CMP执行完以后发生中断,此时如果不保存EFLAGS信息,那么当中断返回时,CMP EAX,EBX的结果可能就丢失了,JZ的判断可能就出错了,所以中断需要EFLAGS。

而在高级语言里,上面的这两句在高级语言里都是一句话(if (a==b) {}),不可能拆成两条指令,所以高级语言,函数调用自然不会把EFLAGS传给被调用者。

但如果是纯汇编语言写的代码,那么要不要传递EFLAGS就看代码需求了,像BIOS中断里的INT 13H之类的,就是靠EFLAGS的某个标志位来判断是否成功的。

类似的话题

  • 回答
    这涉及到计算机系统中处理程序执行流程的两个非常重要的机制:中断和子程序调用。虽然它们都能改变程序的执行顺序,但它们的目的和发生的原因截然不同,这直接决定了它们在保存和恢复CPU状态时所需的细节程度。我们先从最本质的区别说起: 中断 (Interrupt):是一种异步的、由外部或内部事件触发的、非.............
  • 回答
    在 Java 中,当一个线程调用了 `Thread.interrupt()` 方法时,这并不是像直接终止线程那样强制停止它。相反,它是一个通知机制,用于向目标线程发出一个“中断请求”。这个请求会标记目标线程为“中断状态”,并根据目标线程当前所处的状态,可能会触发一些特定的行为。下面我将详细解释 `T.............
  • 回答
    近年来,自由主义在全球范围内的影响力确实呈现出明显的衰落趋势,这一现象涉及经济、政治、社会、技术、文化等多个层面的复杂互动。以下从多个维度详细分析自由主义衰落的原因: 一、经济全球化与贫富差距的加剧1. 自由主义经济政策的局限性 自由主义经济学强调市场自由、私有化、减少政府干预,但其在21世.............
  • 回答
    俄乌战争期间,虚假信息(假消息)的传播确实非常广泛,其背后涉及复杂的国际政治、媒体运作、技术手段和信息战策略。以下从多个角度详细分析这一现象的成因: 1. 信息战的直接动因:大国博弈与战略竞争俄乌战争本质上是俄罗斯与西方国家(尤其是美国、北约)之间的地缘政治冲突,双方在信息领域展开激烈竞争: 俄罗斯.............
  • 回答
    政府与军队之间的关系是一个复杂的政治与军事体系问题,其核心在于权力的合法性和制度性约束。虽然政府本身可能不直接持有武器,但通过法律、组织结构、意识形态和历史传统,政府能够有效指挥拥有武器的军队。以下是详细分析: 一、法律授权与国家主权1. 宪法与法律框架 政府的权力来源于国家宪法或法律。例如.............
  • 回答
    关于“传武就是杀人技”的说法,这一观点在历史、文化和社会语境中存在一定的误解和偏见。以下从历史、文化、现代演变和误解来源等多个角度进行详细分析: 一、历史背景:武术的原始功能与社会角色1. 自卫与生存需求 中国传统武术(传武)的起源与农耕社会、游牧民族的生存环境密切相关。在古代,武术的核心功.............
  • 回答
    关于近代历史人物是否能够“翻案”的问题,需要结合历史背景、人物行为对国家和民族的影响,以及历史评价的客观性进行分析。袁世凯和汪精卫作为中国近代史上的重要人物,其历史评价确实存在复杂性和争议性,但“不能翻案”的结论并非基于单一因素,而是综合历史、政治、道德等多方面考量的结果。以下从历史背景、人物行为、.............
  • 回答
    关于“俄爹”这一称呼,其来源和含义需要从多个角度分析,同时要明确其不尊重的性质,并指出如何正确回应。以下是详细解析和反驳思路: 一、称呼的来源与可能的含义1. 可能的字面拆解 “俄”是“俄罗斯”的拼音首字,而“爹”在中文中通常指父亲,带有亲昵或戏谑的意味。 若将两者结合,可能暗示.............
  • 回答
    民国时期(19121949)虽然仅持续约37年,却涌现出大量在文学、艺术、科学、政治、哲学等领域具有划时代意义的“大师级人物”。这一现象的出现,是多重历史、社会、文化因素共同作用的结果。以下从多个维度进行详细分析: 一、思想解放与文化启蒙的浪潮1. 新文化运动(19151923) 思想解放.............
  • 回答
    航空航天领域在待遇和职业环境上确实存在一定的挑战,但国家在该领域取得的飞速发展,主要源于多方面的国家战略、技术积累和系统性支持。以下从多个维度详细分析这一现象: 一、国家战略与长期投入:推动技术突破的核心动力1. 国家层面的战略目标 航空航天技术往往与国家的科技竞争力、国家安全和国际地位密切.............
  • 回答
    吴京作为中国知名演员、导演,近年来因《战狼2》《英雄联盟》等作品及个人生活引发公众关注,其形象和言论在不同语境下存在争议,导致部分人对其产生负面评价。以下从多个角度详细分析可能的原因: 1. 个人生活与公众形象的冲突 妻子被曝光:2018年,吴京妻子的近照和视频被网友扒出,引发舆论争议。部分人.............
  • 回答
    近年来,全球范围内对乌克兰的支持确实呈现出显著增加的趋势,这一现象涉及多重因素,包括国际局势、地缘政治博弈、信息传播、经济援助、民族主义情绪以及国际社会的集体反应。以下从多个角度详细分析这一现象的成因: 1. 俄乌战争的爆发与国际社会的集体反应 战争的爆发:2022年2月,俄罗斯对乌克兰发动全面入侵.............
  • 回答
    《是大臣》《是首相》等政治剧之所以能在编剧缺乏公务员经历的情况下取得成功,主要源于以下几个关键因素的综合作用: 1. 构建政治剧的底层逻辑:制度与权力的结构性认知 政治体制的系统性研究:编剧可能通过大量研究英国议会制度、政府运作流程、政党政治规则(如议会制、内阁制、党鞭系统等)来构建剧情。例如.............
  • 回答
    关于“剧组中男性可以坐镜头箱而女性不能”的现象,这一说法可能存在误解或过度泛化的倾向。在影视拍摄中,镜头箱(通常指摄影机或固定设备)与演员的性别并无直接关联,但若涉及性别差异的讨论,可能与以下多方面因素相关: 1. 传统性别刻板印象的延续 历史背景:在传统影视文化中,男性常被赋予主导、主动的角.............
  • 回答
    印度在俄乌战争中不公开表态、在安理会投票中对俄罗斯的决议案弃权,这一行为背后涉及复杂的地缘政治、经济利益和外交策略考量。以下是详细分析: 1. 与俄罗斯的经济与军事合作 能源依赖:印度是俄罗斯的重要能源进口国,2022年俄乌战争爆发后,印度从俄罗斯进口了大量石油和天然气,以缓解对西方能源的依赖。尽管.............
  • 回答
    关于“公知”与高校知识分子的关系,这一现象涉及中国社会、教育体系、媒体环境以及知识分子角色的多重因素。以下从多个维度进行分析: 一、高校知识分子的特殊性1. 教育背景与专业素养 高校知识分子通常拥有高等教育背景,具备较强的知识储备和批判性思维能力。这种专业素养使他们更倾向于参与公共讨论,尤其.............
  • 回答
    短视频平台在字幕中对“死”“钱”“血”等字打上马赛克,主要出于以下几方面的考虑,涉及内容监管、文化规范、法律合规和平台运营策略: 1. 避免敏感内容传播这些字可能与以下敏感话题相关,平台通过屏蔽来防止违规内容扩散: “死”:可能涉及自杀、死亡、濒死等话题,容易引发负面情绪或被用于极端内容(如自杀教程.............
  • 回答
    素食主义作为一项社会运动,其发展与传播确实涉及复杂的动机和行为逻辑。从现象学角度分析,素食主义者的“带节奏”行为可能源于以下几个层面的原因和目的: 一、社会运动的传播逻辑1. 信息传播的网络效应 在社交媒体时代,素食主义者通过短视频、直播、图文等形式形成信息扩散链。例如,YouTube上"V.............
  • 回答
    伊朗的伊斯兰革命(1979年)是20世纪最重大的政治事件之一,其爆发和“逆世俗化”趋势的形成,是多重历史、社会、经济和宗教因素交织的结果。以下从多个维度详细分析这一现象的成因: 一、历史背景:波斯帝国的衰落与殖民影响1. 波斯帝国的遗产 波斯帝国(公元前550年)曾是中东最强大的帝国之一,以.............
  • 回答
    伊尔96(Il96)和图204(Tu204)是苏联和俄罗斯在20世纪80至20世纪初研制的中短程宽体客机,但它们在国际航空市场上的表现并不理想,主要原因涉及技术、经济、政治、市场和竞争等多个层面。以下从多个角度详细分析其销路不佳的原因: 1. 技术性能不足:无法满足现代市场需求 伊尔96(1970年.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有