计算机组成原理中断向量表

中断向量表（Interrupt Vector Table, IVT）

中断向量表是计算机系统中用于管理中断处理的核心数据结构，主要存在于早期x86架构的实模式（16位）系统（如DOS）及部分嵌入式系统中。它为每个中断类型分配唯一的中断向量号，并存储对应中断服务程序（ISR）的入口地址，是CPU实现快速中断分发的关键组件。

一、核心定义与作用

• 定义：
  中断向量表是一个固定长度的数组，每个数组元素（表项）对应一个中断向量号（0~255，共256个表项，x86架构专用），存储该中断对应的处理程序的物理地址（段地址:偏移量）。
• 作用：
  CPU通过中断向量号直接索引IVT，获取处理程序地址并跳转执行，避免复杂的地址计算，实现高效的中断响应。

二、结构与格式（以x86实模式为例）

1. 表项数量与范围

• 固定包含256个表项，对应向量号 0~255，覆盖所有可能的硬件中断、软件中断和异常事件。
• 前32个向量号（031）预留给系统内部异常（如除法错误、页错误）和非屏蔽中断（NMI），32255用于可屏蔽中断（IRQ）和用户自定义中断。

2. 单个表项格式（4字节）

• 段地址（Segment）：16位，标识处理程序所在的段（16位实模式下，段地址左移4位形成20位基地址）。
• 偏移量（Offset）：16位，段内偏移地址，与段地址组合形成20位物理地址（物理地址 = 段地址×16 + 偏移量）。
• 示例：
  若向量号为 n，则其对应的表项地址为 n×4（IVT在内存中从地址 0x00000 开始存储，共占用 256×4=1024字节）。

三、典型中断向量号分配（x86架构）

四、工作流程

1. 中断触发与向量号生成：

   • 硬件中断：设备通过中断控制器（如8259A）向CPU发送中断请求（IRQ），控制器将IRQ映射为对应的向量号（如IRQ0对应向量号32）。
   • 软件中断：程序通过INT n指令直接指定向量号n（如INT 0x80对应向量号128，Linux早期系统调用）。

2. CPU索引IVT：
   CPU收到中断信号后，暂停当前任务，根据向量号n计算表项地址（n×4），读取段地址和偏移量，组合成物理地址。

3. 跳转执行ISR：
   CPU跳转至该物理地址，执行对应的中断服务程序，处理完毕后通过IRET指令恢复原任务。

五、与中断描述符表（IDT）的区别

六、初始化与管理

• 初始化位置：
  系统启动时（如BIOS引导阶段），会预先填充IVT，将前32个向量号绑定到处理器内部异常的处理程序，后续向量号由操作系统或设备驱动动态注册（如DOS系统通过INT 21H的AH=25H功能修改中断向量）。
• 局限性：
  实模式下IVT缺乏权限保护，用户程序可随意修改表项，可能导致系统崩溃（现代系统通过保护模式和IDT解决此问题）。

七、总结

中断向量表是早期x86系统中断处理的核心，通过固定的向量号与处理程序地址映射，实现了高效的中断分发。尽管现代操作系统（如Windows、Linux）在保护模式下改用功能更强的中断描述符表（IDT），但IVT的设计思想（向量号索引、快速跳转）仍被继承，且x86架构至今保留对IVT的支持（如兼容旧程序或处理特定异常）。理解IVT是掌握中断机制底层原理的重要基础。