中断和中断向量

以"Java/JS 等语言如何捕获键盘输入"为例，梳理从硬件按键到应用层事件的完整中断链路，引出中断、中断识别码与中断向量的设计。

响应键盘的链路设计

• 目标：在应用中实现按键响应，类似 Switch-Case——不同按键触发不同程序（回车换行、方向键移动光标）。
• 按键抽象：键盘一般不超过 100 键，可用 1 字节描述：最高位表示按下/释放，低 7 位（0~127）表示具体按键，按时间顺序记录即可无歧义。
• 处理位置：按键解析是通用逻辑，由操作系统统一完成更合理，例如将回车封装为字符串 Enter，组合键（如 Ctrl+C）需结合时间因素判断，也由 OS 统一处理。
• 响应模型：应用以消息模型响应按键——在 OS 注册回调函数，仅当按键真实发生时才执行，避免轮询扫描的开销。
• 高优先级：按键（如 Ctrl+C、Esc）应随时中断当前程序，需从硬件层面支持中断。

硬件到 CPU 的通知

按键发生时，键盘芯片将"第几行第几列的开关"转换为电信号（按键码），主板接收后写入自身寄存器并通知 CPU。CPU 通过总线收到通知，中断正在执行的程序，改变 PC 指针跳转到固定位置。



CPU 只知道中断后跳转到固定位置（如将 PC 设为 0，从内存地址 0 读取下一条指令）。操作系统需提前向该位置写入指令（如 Jump），将 PC 指向自己的按键处理程序。

中断的设计

整体分三层：硬件（键盘芯片/主板）、操作系统、程序语言（对接 OS API）。


• 中断（interrupt）：CPU 中断当前程序、跳转 PC 处理事件的行为。系统调用、设备就绪、异常等都通过中断实现。
• 中断识别码：区分中断类型，如按键可取编号 16。
• 中断向量（Interrupt Vector）：某类型中断发生时 PC 应跳转的地址。例如 32 位机器上，编号 16 的中断跳转到内存地址 16 × 4。
• 中断向量表：存放所有中断向量的内存空间。若有 256 个中断（编号 0~255），需 1K 内存（每个向量 4 字节）。


CPU 收到中断后，根据类型查中断向量表得到跳转地址；操作系统必须提前修改中断向量，写入 Jump 指令，将 PC 再次跳转到自己的处理程序。

操作系统接管按键后的处理：

• 将按键放入队列（应对过快按键，分时处理）；
• 计算组合键（利用按下/释放的时间关系）；
• 将按键抽象为消息（事件对象）；
• 提供监听 API 给应用，并分发消息给监听者。

拥有虚拟机的语言（Java/Node.js）只需对接 OS 提供的键盘事件 API 即可。

中断的类型

• 按触发方：
  • 同步中断：由 CPU 指令主动触发。如系统调用触发的陷阱（Trap）、检测到错误触发的错误（Fault，响应后重执触发处，如缺页中断）、程序异常。
  • 异步中断：响应外部设备的通知触发，如键盘、鼠标。
• 按是否可屏蔽：CPU 设有中断屏蔽位，置 1 后暂停响应多数中断。键盘/鼠标、Trap/Fault 等可被屏蔽；CPU 故障导致的掉电等不可屏蔽中断仍会触发。

小结

中断是硬件通知 CPU 暂停当前程序、跳转固定位置执行处理程序的机制。中断识别码对应中断向量，所有向量构成中断向量表；操作系统预先写入跳转指令接管处理。按键经键盘芯片→主板→CPU 中断→OS 解析为消息→应用 API 这条链路，最终被高级语言捕获。