【ShuQiHere】深入理解 LC-3 的堆栈与基于中断的 I/O 机制
深入理解 LC-3 的堆栈与基于中断的 I/O 机制 📦🔄
在计算机系统中，堆栈（Stack） 和 中断（Interrupts） 是至关重要的机制。堆栈是一种后进先出的数据结构，用于临时存储数据，如函数调用和局部变量；而中断允许设备与处理器高效通信，尤其在处理输入/输出（I/O）操作时。本文将详细讲解堆栈的工作原理、Push 和 Pop 操作、中断机制如何结合堆栈完成任务，并通过例子帮助你掌握这些概念。
1. 什么是堆栈？📦
堆栈（Stack） 是一种 后进先出（LIFO, Last In First Out） 的数据结构。它常用于存储临时数据，例如函数调用、局部变量和中断处理时保存的寄存器值。在 LC-3 中，堆栈的操作通过寄存器 R6 实现，R6 作为 堆栈指针（Stack Pointer, SP），指向当前堆栈的顶端。
例子：
想象一个 硬币架，当你把硬币放进架子时，它总是放在顶部。取硬币时，你只能从顶部取走，这与堆栈的操作非常相似。压入（Push）操作将数据放入堆栈，弹出（Pop）操作则移除堆栈顶端的数据。
2. 堆栈的基本操作 💻
在 LC-3 中，R6 被用作堆栈指针，指向堆栈的顶部。堆栈指针 R6 会随着数据的压入（Push）和弹出（Pop）进行增减。
压入（Push）操作：
- R6 减少（堆栈向下增长）。
- 新数据被存储在 R6 指向的内存位置。
弹出（Pop）操作：
- 从 R6 指向的内存位置读取数据。
- R6 增加，指向堆栈的下一个数据位置。
示例代码：
PUSH:
ADD R6, R6, #-1 ; 堆栈指针减少
STR R0, R6, #0 ; 将 R0 的值压入堆栈
POP:
LDR R0, R6, #0 ; 从堆栈中弹出数据到 R0
ADD R6, R6, #1 ; 堆栈指针增加
错误处理：
- 堆栈溢出（Stack Overflow）：当堆栈超过其分配的空间时，程序会发生错误。
- 堆栈下溢（Stack Underflow）：当弹出数据时，如果堆栈为空，也会导致错误。
3. 中断驱动的 I/O：如何与堆栈协作 🔄
中断驱动的 I/O（Interrupt-driven I/O） 是一种高效的处理输入/输出的机制。当 I/O 设备准备好时，它发出中断信号，通知处理器暂停当前任务，转而执行中断服务例程（Interrupt Service Routine, ISR）。在中断期间，处理器会使用堆栈保存当前程序的状态（如寄存器和 PC），处理完成后再从堆栈中恢复状态，继续执行原程序。
中断处理的步骤：
- 设备发出中断信号。
- 处理器保存当前状态：寄存器和程序计数器（PC）被保存到堆栈。
- 执行中断服务例程：处理器跳转到中断处理程序（ISR）地址，处理设备请求。
- 恢复状态并返回：从堆栈恢复寄存器和 PC，继续执行中断前的程序。
例子：
ISR:
STR R0, R6, #0 ; 保存寄存器 R0
LDI R0, KBDR ; 读取键盘数据
; 处理中断逻辑
LDR R0, R6, #0 ; 恢复寄存器 R0
RTI ; 返回中断前的程序
4. 程序状态寄存器（Program Status Register, PSR）⚙️
程序状态寄存器（PSR） 存储当前程序的状态信息，包括：
- 特权级（Privilege Level）：PSR[15] 表示程序是否在 用户模式（User Mode, 1） 或 特权模式（Supervisor Mode, 0） 下运行。
- 优先级（Priority Level）：PSR[10:8] 用于表示当前的优先级，从 PL0（最低）到 PL7（最高）。
- 条件码（Condition Codes）：PSR[2:0] 用于存储条件码（NZP）。
在中断时，PSR 也会被保存到堆栈，处理完成后再恢复，以确保中断处理前后的程序状态一致。
5. 用户堆栈与特权堆栈 🌐
LC-3 使用两种不同的堆栈：
- 用户堆栈（User Stack, USP）：用于存储用户模式下的数据。
- 特权堆栈（Supervisor Stack, SSP）：用于在特权模式下存储数据，通常用于中断处理和操作系统调用。
当系统切换到特权模式时，R6 指向特权堆栈；在用户模式下，R6 则指向用户堆栈。通过 Saved.USP 和 Saved.SSP 记录切换时的堆栈指针。
6. 中断向量表（Interrupt Vector Table）🛑
中断向量表（Interrupt Vector Table） 是一个存储各个中断服务例程（ISR）地址的表格。每个中断源都有一个对应的中断向量，用于确定发生中断时应跳转到哪个 ISR 来处理事件。
7. 实战示例：基于堆栈的中断处理 ✍️
下面的代码展示了如何处理键盘输入中断。在发生中断时，处理器保存当前寄存器状态，读取键盘数据，处理完成后恢复寄存器并返回到原程序。
示例代码：
; 中断处理程序：处理键盘输入
ISR_KEYBOARD:
STR R0, R6, #0 ; 保存寄存器 R0 的值
STR R1, R6, #1 ; 保存寄存器 R1 的值
LDI R0, KBDR ; 从键盘数据寄存器读取数据
; 处理中断逻辑
LDR R1, R6, #1 ; 恢复寄存器 R1
LDR R0, R6, #0 ; 恢复寄存器 R0
RTI ; 返回中断前的程序
MAIN:
; 主程序代码
HALT ; 停止程序
详细解释：
- 当发生键盘中断时，当前的寄存器 R0 和 R1 会被压入堆栈。
- 键盘数据通过
LDI R0, KBDR读取到寄存器 R0 中。 - 处理中断逻辑后，从堆栈中恢复寄存器 R0 和 R1 的值。
RTI指令返回中断前的程序，继续执行主程序。
总结 🎯
在 LC-3 系统中，堆栈（Stack） 与 中断驱动的 I/O（Interrupt-driven I/O） 是相互协作的机制。堆栈作为临时数据的存储空间，用于保存和恢复程序状态；中断机制允许设备高效地与处理器通信，而不需要轮询设备状态。结合使用堆栈和中断，处理器能够快速响应外部事件并在处理中断后继续执行主程序。理解这些原理，你将能在 LC-3 中编写更加高效的程序，特别是在处理 I/O 和中断时。