操作系统：中断和异常

目录

  • 操作系统：中断和异常
  • 中断机制的诞生
  • 中断的概念和作用
  • 中段的分类
  • 内中断（也称为异常、例外、陷入）
  • 外中断（中断）
  • 外中断的处理过程

中断机制的诞生

早期计算机各程序只能串行执行，系统资源利用率低。为了解决这个问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入终端机制，实现了多道程序并发执行。

本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。

中断的概念和作用

  1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
  2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
  3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行

“用户态到核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。

“核心态到用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志设置为”用户态“

中段的分类

内中断（也称为异常、例外、陷入）

信号的来源：CPU内部

与当前执行的指令有关。

内中断分为：

  1. 自愿中断——指令中断：如系统调用时使用的访管指令（又叫陷入指令、trap指令）
  2. 强迫中断：
  1. 硬件故障：如缺页
  2. 软件中断：如整数除0

也可分为：

  1. 陷阱、陷入（trap）：有意为之的异常，如系统调用
  2. 故障（fault）：由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页
  3. 终止（abort）：不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0

外中断（中断）

信号的来源：CPU外部

与当前执行的指令无关

外中断分为：

  1. 外设请求：如I/O操作完成发出的中断信号
  2. 人工干预：如用户强行终止一个进程

外中断的处理过程

  1. 执行玩每个指令之后，CPU都要检查当前是否由外部中断信号
  2. 如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）
  3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序（核心态）
  4. 恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行