问题

8088/8086在响应中断保护断电的时候到底是将当前IP保存还是IP+1保存?

回答
8088/8086 在响应中断(包括处理保护断电的场景)时,保存的指令指针(IP)值,并不是当前正在执行的指令的 IP,也不是简单地指向下一条指令的 IP+1。它保存的是指向下一条即将被执行指令的起始地址。

让我们详细拆解一下这个过程,理解为什么会保存这个特定的 IP 值,以及它与“保护断电”的联系。

中断响应的基本流程:

1. 检测到中断发生: 无论是外部中断(如键盘输入、定时器信号)还是内部中断(如除法溢出、单步执行),CPU 都会检测到中断信号。
2. 中断确认(INTA): CPU 发出中断确认信号,并从中断控制器那里获取中断类型号。
3. 保护当前状态: 这是关键步骤。为了能够中断当前正在执行的任务,并在中断处理完成后恢复,CPU 必须保存当前的核心上下文信息。这包括:
标志寄存器 (FLAGS): 包含了 CPU 的各种状态信息,如零标志、进位标志、中断允许标志等。这些标志位会影响后续指令的执行,因此必须保存。
代码段寄存器 (CS): 指明了当前程序代码所在的段。
指令指针 (IP): 指明了下一条即将执行的指令在代码段中的偏移量。
其他通用寄存器(可选,由中断服务程序自己决定): 虽然 CPU 核心机制只强制保存 CS、IP 和 FLAGS,但为了不破坏正在进行的工作,中断服务程序(ISR)通常会主动将一些通用寄存器(如 AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP)压栈保存。

4. 加载中断向量: 根据中断类型号,CPU 从中断向量表中查找对应的中断服务程序的入口地址(段地址和偏移地址)。
5. 跳转到中断服务程序: CPU 将中断服务程序的入口地址加载到 CS 和 IP 寄存器中,然后开始执行中断服务程序。
6. 执行中断服务程序: ISR 完成中断的处理任务。
7. 中断返回 (IRET): ISR 完成后,执行 `IRET` 指令。`IRET` 指令会将之前保存的 CS、IP 和 FLAGS 从堆栈中弹出,恢复到中断发生时的状态。CPU 接着就能从中断发生的地方(即保存的 IP 指向的下一条指令)继续执行原程序。

为什么保存 IP 是指向下一条指令?

想象一下,CPU 正在执行一条多字节指令。例如,一条 `MOV AX, [BX]` 指令,它可能需要三个字节来表示(操作码、目的寄存器编码、源地址寻址模式)。

如果 CPU 保存当前正在执行指令的 IP: 假设这条指令的起始地址是 `0x1000`。如果 CPU 保存了 `0x1000`,当 ISR 执行完毕并执行 `IRET` 后,CPU 会将 `0x1000` 加载到 IP 中,然后尝试从 `0x1000` 处重新执行指令。这会导致指令被重复执行一次,这显然是错误的。
如果 CPU 保存 IP+1: 如果指令是三个字节长,那么 `IP+1` 指向的是指令的第二个字节。当 ISR 执行完毕并执行 `IRET` 后,CPU 会将 `IP+1` 加载到 IP 中,然后从指令的第二个字节开始执行。这同样是错误的,因为指令的执行是原子性的,不能从中途开始。

正确的方式是:

CPU 在响应中断时,会完成当前正在执行的指令(如果该指令本身不与中断响应冲突的话),或者说,在检测到中断信号时,它已经准备好处理下一条指令的获取和执行。此时,CPU 的内部指令指针(或者一个临时的指令计数器)已经指向了下一条指令的起始地址。CPU 将这个指向下一条指令的地址(即 CS:IP)保存在堆栈上。

举个例子:
假设程序执行流程是:
```assembly
MOV AX, 10h ; IP = 0x1000 (假设)
ADD BX, CX ; IP = 0x1002 (假设指令是两个字节)
```
当 CPU 执行到 `ADD BX, CX` 的时候,如果此时发生了中断,那么:
1. CPU 内部的指令计数器(或类似机制)已经指向了下一条指令,也就是假设的 `0x1004` 地址处。
2. CPU 将当前的 `FLAGS`、`CS` 以及指向下一条指令的 `IP`(在这个例子中是 `0x1004`)压栈。
3. 然后,CPU 加载中断服务程序的入口地址,开始执行 ISR。
4. ISR 执行完毕后,`IRET` 指令将 `0x1004` 从堆栈弹出到 IP,将之前的 `FLAGS` 和 `CS` 恢复。
5. CPU 从 `0x1004` 地址处的下一条指令继续执行,确保了原程序的正常流程不会中断或丢失任何指令。

关于“保护断电”:

你提到的“保护断电”可能指的是一个不太常见的说法,通常我们说的是“断电保护”或者“掉电保护”。如果是指硬件突然断电导致数据丢失的问题,那么 8088/8086 处理器本身在设计上并没有内置的机制来应对突然断电的情况。CPU 在执行过程中被断电,其内部状态(包括 IP、寄存器值)会瞬间丢失,无法保存和恢复。

然而,如果“保护断电”是指某种软件或硬件层面的异常处理机制,比如:
非法指令: CPU 执行到一条非法的指令时,会产生一个内部中断(通常是类型号为 6 的中断)。
操作数越界: 访问了不存在的内存地址等情况,也可能触发异常中断。
除零错误: 执行除法指令时,除数为零,会触发类型号为 0 的中断。

在这些内部异常中断发生时,CPU 的行为与外部中断是类似的:它会保护当前的上下文(包括指向下一条指令的 CS:IP),然后跳转到相应的异常处理程序。异常处理程序会尝试诊断问题并采取纠正措施(例如,如果可能的话,修改程序状态以继续执行,或者终止程序)。

所以,无论是哪种类型的硬件中断还是软件产生的异常中断,8088/8086 在响应时,保存的 IP 始终是指向下一条即将执行的指令的起始地址,以保证中断处理完毕后能够无缝恢复原程序执行。

总结一下:

8088/8086 在响应中断(包括各种内部异常中断)时,总是将当前代码段 (CS) 和指令指针 (IP) 的值压栈保存,并且这个 IP 是指向下一条即将被执行指令的起始地址。它完成了(或准备完成)当前指令的执行后,才将 CS:IP(指向下一条指令)与 FLAGS 一起保存,然后跳转到中断服务程序。这使得中断处理能够安全地发生,并且能够准确地恢复到中断发生前的执行点。关于“保护断电”的特定含义需要更清晰的解释,但从中断响应的通用机制来看,保存的是下一条指令的 IP。

网友意见

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IP本身就存放着下一条指令的偏移地址所以这两个说法等价

是的。

IP指针是在执行当前指令时,就已经指向下一条指令了,例子就是JMP,指令手册上的内容节选:

       IF near relative jump THEN     tempRIP ← RIP + DEST; (* RIP is instruction following JMP instruction*) ELSE (* Near absolute jump *)     tempRIP ← DEST; FI;     

类似的,CALL指令执行的时候要push返回地址,这个返回地址也是CALL的下一条指令,而不是CALL本身。

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