更新了恐龍書到第10版，本篇筆記主要對應書中的1.2部分。
一、計算機組織形式
1.1 總線與驅動
計算機通過**系統總線（System Bus）將各類設備連接，通過驅動程序（Driver）**理解硬件設備，實現操作系統對硬件的操作。
1.2 中斷
考慮一個程序進行I/O操作的情況。爲了啓動IO，設備驅動器首先加載需要參與的寄存器到設備控制器中，然後檢查寄存器中的數據，決定下一步要做的事情（如接受一個鍵盤字符輸入）。在完成了將數據加載後，如加載設備中的信息到內存，設備控制器通知設備驅動已經完成。驅動然後交還控制給操作系統，交還一般會返回一些信息，比如數據，比如指向內存數據的指針。
Q：考慮上述過程設備控制器是如何通知驅動程序已經完成的。
A：通過中斷
1.2.1 概覽
中斷的過程如其名，即在CPU上下文中插入一箇中斷服務，最後再恢復回去。它大概包含以下過程及概念：
- 中斷由系統總線通知CPU，中斷非常頻繁，所以CPU要立即處理中斷。
- 每個計算機都有自己的中斷機制，中斷後需要迅速轉移控制（CPU時間、CPU操作）給中斷控制程序（例程）。
- 通常使用一個包含指針的表存儲中斷控制程序地址信息，這個表也成爲中斷向量表（因爲存儲了中斷程序地址）。這個表本身是一個數組，數組下標是中斷編號，所以可以快速索引。
- 中斷向量表不是由一個進程所有，而是存儲在低地址空間中（爲什麼放低地址是考慮到硬件讀取字長有限的問題，地址分割可參見這篇博文《Linux內核是如何分割你的RAM的（劃分物理地址）》）
- 中斷過程必須保留中斷前的所有狀態信息，比如中斷程序要修改寄存器的值，需要提前保存。在中斷執行結束後再加載這些狀態信息，彷彿未發生過中斷。
1.2.2 實現
CPU有一個硬件的中斷感知線Interrupt request line，專門感知中斷信號，CPU每運行完一個指令都會通過這個line檢查中斷。
CPU檢查到中斷後，會利用這個中斷編號去檢索中斷向量表，迅速轉移到中斷處理例程（Interrupt handler routine）中去。
Interrupt handler routine首先提前保存好它要修改的信息（例如：某些要使用的寄存器上的數據），然後判斷中斷髮生原因並執行處理，然後執行return_from_interrupt函數返回結果，回到之前的狀態。
整個狀態可以用CPU和Interrupt handler routine，及與它們相關的幾個動詞聯繫起來：
- 設備控制器通過Interrupt request line發送信號到CPU從而*發起*中斷。
- CPU捕獲中斷，分派中斷給Interrupt handler routine。
- Interrupt handler routine服務設備，清除中斷。
該過程如下圖所示：
中斷機制讓CPU擁有了異步處理的能力（CPU在等待設備的時間裏可以忙別的東西）。現在操作系統擁有更多的能力：
- 在CPU處理關鍵進程的時候可以延遲中斷的處理。
- 更加高效的分派中斷處理程序。
- 建立基於優先級的多級中斷，優先處理高級別中斷。
現代操作系統實現這些功能通過CPU和中斷控制硬件（Interrupt Control Hardware）。
大部分的CPU擁有兩條Interrupt request line：
- 處理無法掩蓋（處理）的中斷（non-maskable）：無法處理，例如內存錯誤
- 可以掩蓋（處理）的中斷（maskable）：CPU可以取消（忽略）的中斷，很多的設備控制器就走這條。
中斷向量表的作用是快速索引Interrupt handler routine，但是真實情況下這個表純使用數組可能會相當巨大，所以在實現的方面才用了線性表的方式（索引+一一遍歷）。（不熟悉數據結構的話可以查詢線性表或哈希表之類的實現），下圖是Intel CPU的中斷向量表，0~31爲nonmaskable的內容。
作爲總結，中斷是操作系統實現異步的核心機制。設備控制器和硬件錯誤引發了中斷。現代操作系統爲了優先處理高級別的中斷，操作系統建立了一整套處理中斷的系統。因爲中斷在操作系統中出現的相當頻繁，所以高效的中斷處理程序非常重要。