操作系统中断和异常

文章目录

• 1. 中断和异常[^1]
• 1.1 中断机制的诞生
• 1.2 中断[^2]的分类
• 1.3 外中断的处理过程

1. 中断和异常¹

1.1 中断机制的诞生

早期的计算机：只能串行执行，系统资源利用率低。
为了解决资源利用率低的问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入中断机制，实现了多道程序的并发执行。

中断的概念和作用：
本质：发生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。

在用户态下，CPU收到计时部件发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。
核心态下，操作系统内核负责对中断信号进行处理

• 中断的特点
  • 当中断发生时，CPU立即进入核心态
  • 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
  • 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

遗留的问题：用户态、核心态之间的切换是如何实现的
答：“用户态–>核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。
“核心态–>用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”。

1.2 中断²的分类

• 内中断（也称为“异常”）
  • 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）
  • 强迫中断
    • 硬件故障
      如：缺页
    • 软件中断
      如：整数除0
• 外中断（中断³）：
  • 外设请求
    如：I/O 操作完成发出的中断信号
  • 人工干预
    如：用户强行终止一个进程

内中断与外中断的区别*
.
内中断（也称异常、例外、陷入）
信号的来源：CPU内部与当前执行的指令有关
.
外中断(狭义的中断)
信号的来源：CPU外部与当前执行的指令无关

另一种分类方式：

• 内中断（内部中断）
  1. 陷阱、陷入（trap）
  如：有意而为之的异常，如系统调用
  2. 故障（fault）
  如：有错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页
  3. 终止（abort)
  如：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

1. I/O 中断请求
2. 人工干预

1.3 外中断的处理过程

1. 每条指令执行结束后，CPU检查是否有外部中断信号
2. 若有外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境
3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
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

---

1. 以上笔记均整理自王道考研 ↩︎

2. 广义的中断 ↩︎

3. 狭义的中断 ↩︎

来源：CSDN

作者：酷酷的HK

链接：https://blog.csdn.net/qq_42483691/article/details/104720007