操作系统学习笔记（2）——中断和异常

一、中断的引入

• 当CPU启动通道（或设备）进行输入输出后，通道可以独立工作，CPU即转去做其他任务；
• 通道（或设备）输入输出完成后，通道通过向CPU发中断告诉CPU此次输入输出结束，让CPU继续执行原任务输入输出后的程序

        中断引入的目的：就是为了I/O和CPU可以并行，从而实现多道程序设计。

二、异常（陷入）的引入

        当下述情况发生，CPU中断当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或陷入处理程序：

• CPU执行指令时本身出现算术异常、零做除数、访存指令越界、虚存缺页等；
• 正常异常，即执行了一条trap指令，用于实现系统调用

三、中断和异常的区分

1、中断：通道（或设备）完成输入输出后，通道会“通知”CPU此次输入输出结束，这个“通知”就是中断。
可以看到，中断与CPU正在执行的指令并没有关系。

2、异常：而异常则是正在执行的指令本身出现了错误（如算术溢出、地址越界）等。

3、但中断和异常的结果都是使得“CPU暂停正在执行的程序”：

   CPU接受“中断”后停止当前的任务，去继续上一个任务或继续当时在执行的任务（如何选择则是与调度有关）。

   CPU接受“异常”后停止当前任务，去处理这些错误。 处理完成后CPU返回暂停点继续工作。

4、中断：与正在执行的指令无关，可以屏蔽

   异常：与正在执行的指令有关，不可屏蔽

四、中断/异常的分类

         

五、中断的分级与屏蔽

中断触发器：寄存中断事件的全部触发器，一般一个触发器表示一个中断

中断位：每个触发器称为一个中断位，当发生中断时相应位就被置上（0置到1）

中断序号：给中断一个顺序编号

中断响应：由硬件在执行每一条指令的最后时刻判断是否有中断，有则转入操作系统的中断处理程序（中断响应必须是由硬件支持的）  

         

六、中断优先级

1、高级中断>中级中断>低级中断

         

2、中断优先级设置的原则

• 从提高资源利用率角度：高速设备(如磁盘)优先级高，慢速设备(如鼠标键盘)优先级低
• 交互式系统中：可以考虑用户响应满意优先原则
• 实时系统中：实时设备优先

3、处理机优先级：指处理机正在运行的程序的可响应中断的级别。

      在中断处理程序运行之前前，去设置这个处理机优先级。

      即当处理机处理某一个优先级中断时，只允许处理机去响应比该优先级高的中断，低于或等于该优先级的中断则屏蔽掉。

      屏蔽掉的中断由硬件暂时保存，屏蔽解除时再处理。（此屏蔽称为软屏蔽）

如图举例：

     A、若此时处理机优先级处于0，那么此时对于中断优先级为1的中断，它响应（1>0）

     B、若此时处理机优先级处于2，那么此时对于中断优先级为1的中断，它不响应（1<2）

                                                              那么此时对于中断优先级为2的中断，它不响应（2=2）

                                                              那么此时对于中断优先级为3的中断，它响应（3>2） 

               

         处理机优先级的0级：就是处理机在运行核心态和用户态程序的时候

         当处理机处理某级别的中断时，处理机的响应的放在哪个级别上，并按照上述过程选择响应更高级中断或屏蔽低级/同级中断

4、中断屏蔽：禁止处理机响应中断（一般采用这种）或禁止中断出现

       中断屏蔽的实现：

• 硬件支持：屏蔽寄存器
• 软件实现：

       屏蔽寄存器怎么设置?

       

七、中断/异常的响应

中断响应：CPU能够在每条机器指令执行周期内的最后时刻扫描中断寄存器，查看是否有中断信号。若无则CPU继续执行程序的后续指令；若有则转入操作系统内的中断处理程序

异常响应：异常是在执行指令的时候，由指令本身的原因发生的，CPU中指令的执行逻辑发现了异常则转入操作系统的异常处理程序

八、几个概念

PC寄存器：程序计数器，指向马上要执行的那一条指令

断点：检测到中断时，处理机刚执行完的那条执行恢复地址

恢复点：断点的逻辑后续指令地址，PC的值

                  

现场信息：指中断那一刻确保被中断程序能继续运行的有关信息，如PC、通用寄存器、其他特殊寄存器等

核心态（系统态、监督方式、管态）：允许特权指令执行的状态；此状态运行访问系统空间和用户空间

用户态（用户态、用户方式、目态）：一般程序所运行的状态；只可以访问用户空间

PS(PSW)寄存器：程序状态字(处理机状态字)，寄存了处理机的运行状态，包括：

• 当前处理机运行态(核心态or用户态)
• 当前处理机优先级
• 各种控制位(如外中断赋能位)

中断向量：存放程序状态字和中断处理程序入口地址的内存单元；

                    中断向量由操作系统初始化程序进行设置，硬件按照中断号及异常类型的不同，来通过中断向量表散转到相应的处理程序上

九、中断/异常响应和处理的过程

• 硬件保存PC、PSW
• 软件继续保存现场(保存现场以“栈”的方式)
• 分析原因并转中断/异常处理程序
• (进程调度)恢复现场