前言
中断是计算机中的一种常用的机制，也是计算机中发展中里程碑式的一步，本文将以AT89S51单片机为例来讲解中断的产生和处理过程。下面以一个按键的处理程序为例来说明，在下面的例子中，我们要实现这样一个功能：当按下按钮S1时，我让红灯点亮100ms，然后让绿灯亮，如果没有按下S1，那么一直是绿灯亮。
没有中断以前
如果没有中断，我们的做法应该是这样的：不停地扫描P3.3口，如果发现P3.3口是低电平，那么就让红灯亮100ms，然后熄灭红灯，让绿灯亮。在这个简单的功能里是没有什么问题的，但是如果单片机要处理的事情很多，而它为了处理S1按键这一个事情就被占据，不能脱身，对CPU来说就是非常浪费的，因为CPU的执行速度是非常之快的，而按键的按下和松开对CPU来说是非常慢的，也就是说再两次按键被按下的间隙，CPU可以执行非常多的指令，而这种轮询端口的方式大大降低了CPU的效率。
中断是什么？
在上面的例子中，我们看到，如果没有按钮事件到来，CPU的效率是非常低的。为了解放CPU，我们引入了中断的概念，那么究竟什么是中断？举个例子，下班回家我们想用微波炉做个鸡蛋羹，如果没有中断，我们就必须在微波炉旁边时刻等着，等到预计的时间到了，然后把微波炉关掉。在等待的过程中我们不能做其它的事情，因为超过了需要的时间，鸡蛋羹就会失去最佳味道。如果做鸡蛋羹需要5分钟的时间，那么我们（CPU）就傻等了五分钟时间，我们原本可以用这五分钟时间背几个单词或者看会儿书。我们知道CPU处理指令的速度非常之快，大约在10^9的数量级。等待的这五分钟时间原本可以用来处理很多指令。那么怎么办呢？这时我们可以给微波炉加一个定时的功能，有了这个功能，我们把打好的鸡蛋放到碗里，然后放到微波炉中就不用管了，这时我们可以去做其它的事情，在做事情的过程中，我们听到了微波炉发出了“嘀–嘀–嘀”的声音，我们知道是时间到了，我们关了微波炉，然后把做好的鸡蛋取出来。这个到了一定的条件发出“嘀–嘀–嘀”的声音就是产生了一个中断，我们去取出来鸡蛋就是对一个中断的处理。我们可以看到使用了中断可以提高CPU的效率，让它可以再外部设备进行某些操作的时候去做其它的事，而在触发中断时候再让CPU对中断进行相应的处理。
单片机的中断处理过程
通过上面的分析，我们知道中断可以提高CPU的执行效率，那么使用中断，我们可以怎样实现上图中所示实例的程序呢？
1 | ORG 00H ; 起始地址00H |
下面我们来详细分析下这段代码。ORG伪指令指明该段代码所在的内存地址是00,计算机执行到这里会将PC指针指向00处，这样就可以执行该段代码了。其中MOV IE, #84，将8：4赋值给IE寄存器，IE寄存器是一个中断使能寄存器，为什么要设置中断使能寄存器呢？在上图中我们可以看到P3.0–P3.5这六个端口后面都有个括号，括号中分别是(RXD，TXD，INT0，INT1，T0，T1)，这说明这些端口要么作为普通的IO口，要么作为中断源。默认情况下，单片机上电以后是不会对任何中断产生响应的，相应的中断端口是做为普通的IO口使用的，只有使能了以后才可以接收中断。这六个端口对应五个中断源，RXD和TXD对应串行口中断，INT0，INT1，T0，T1分别对应于外部中断0，外部中断1，Timer0中断和Timer1中断。下面我们看下IE寄存器各个位的含义：
从中我们可以看到IE的最高位是EA，它管理着所有的中断源，如果该为置零，那么所有的中断都不能响应了，其中第6位和第5位是保留位，第四位管理串行口中断，ET1管理Timer1中断，EX1管理外部中断1，第1位和第0位分别管理Timer0中断和外部中断0。我们写的84换算成十六进制刚好是10000100，对应于中断使能寄存器，也就是开启了外部中断1。而外部中断1的接口刚好和键盘S1的相连接。所以如果键盘被按下，就会触发单片机的一次中断。中断被使能以后，我们进入GREEN程序段，在这里面调用CLR P0.0;这条指令可以将P0.0口置成低电平，因为P0.0口上的绿色发光二极管的正极连接的是高电平，所以它会被点亮。然后调用JMP GREEN；指令一直循环。接下来就是中断服务子程序，也就是当中断发生的时候CPU需要执行的指令。ORG 13H;指明接下来的指令发到13H地址开始的指令处。为什么偏偏要是13H呢？因为单片机在设计生产出来的时候都有一个中断向量表，这个中断向量表就说明了每个中断如果发生那么CPU会去哪个地址处开始执行。AT89S51单片机的中断向量表如下：
我们可以看到外部中断1的向量地址是0013H，也就是说CPU如果遇到了外部中断1就会去0013H地址处执行。我们可以看到每两个中断向量的地址相隔只有8位，所以通常情况下，从向量地址处开始的第一条指令是JMP 指令，让程序跳转到其它的地址处执行，不然会影响其后面中断向量的执行。因为我们这里只有一个中断，所以不存在相互影响。
在绿灯亮着的过程中，我们按下按键，这时就会触发一次中断，CPU找到13H开始的地址，然后取指，执行。执行EXT1_RED:，在这里先执行SETB P0.0；将P0.0口置为高电平，让绿灯熄灭，进而执行CLR P0.1;将P0.1口置为低电平然后点亮红色发光二极管。那么下面的延时程序段是怎么计算的呢?
1 | D1: |
我们看上面单片机的电路，我们发现一个Y1，12MHz的元器件，这个器件就是晶振，一个机器周期等于晶振频率的倒数乘以12，所以一个机器周期的时间为：
$$
12 \times \frac{1}{12MHz} = 1 \mu s
$$
这个程序D1中先将200移动到寄存器R4中，D2中先将248移动到R5中，然后将R5减1，如果不等于0，则持续执行这条指令（DJNZ R5, $），所以:
1 | MOV R5, #248 |
因为执行一个DJNZ指令需要花费两个时钟周期，所以内层循环总共的耗时是:
$$
1 + 2 \times 248 = 497 \mu s
$$
一条MOV指令花费一个时钟周期，所以加上外层循环总共的耗时时间是：
$$
200 \times (497 + 2) + 1 = 99801 \mu s \approx 100 ms
$$
到此为止一个没有操作系统的逻辑处理事件的流程已经结束了，那么操作系统，这个在硬件上面的第一层软件，它是怎样来管理中断的呢？
旁注
其实中断使能IE寄存器，在操作系统中也扮演者重要的角色，在进行临界区保护的时候，我们需要加锁，加锁可以有很多方式，比如用纯粹软件的方式：面包店算法。也可以使用硬件的方式，硬件的方式就是关闭中断，关闭中断之后，其它进程就不能进入操作系统内核了，不能进入操作系统内核，也就不会对其进行相应的调度，其它线程也就不能进入临界区了。通过这种硬件的方式，可以提高程序的执行速度，与此同时也可以减少软件方法书写的复杂性。在Linux中使用cli()和sti()的系统调用来关闭和打开中断。同时如果有了操作系统，那么响应的中断往往会和一个驱动相连接，比如：网卡的中断号为X，那么在中断处理程序中就会将中断号X和网卡驱动程序绑定起来。这样，如果遇到了中断X，就会调用响应的驱动程序执行其操作。
参考资料
《实例解读51单片机完全学习与应用》
操作系统：临界区保护