操作系统-中断和异常

中断和异常

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中断机制的诞生

​ 早期的计算机中，个程序只能串行执行，系统的资源利用率很低。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），引入中断机制，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，当前运行的进程会暂停运行，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=>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”

中断的分类

• 内中断（也称为“异常”）

  ​ 信号的来源：CPU内部与当前执行的指令有关。

  • 资源中断–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

  ​ 信号的来源：CPU外部与当前执行的指令无关。

  • 外设请求

    ​ 如：I/O操作完成发出的中断信号。

  • 人工干预

    ​ 如：用户强制终止一个进程。

外中断的处理过程

​ 可分为四步。

1. 执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号；
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；
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。