中断与异常机制

中断异常机制介绍

操作系统是由 “中断驱动” 或者 “事件驱动” 的

主要作用：

1. 及时处理设备发来的中断请求
2. 可使 OS 捕获用户程序提出的服务请求
3. 防止用户程序执行过程中的破坏性工作
4. 。。。

特点：

1. 随即发生的
2. 自动处理的（硬件来完成）
3. 可恢复的

为何引入中断与异常？

中断的引入：为了支持CPU和设备之间的并行操作

当 CPU 启动设 备进行输入/输出后，设备便可以独立工作，CPU 转去处理与此次输入/输出不相关的事情；当设备完成输入/输出后，通过向 CPU 发中断报郜此次输入/输出的结果，让 CPU 决定如何处理以后的事情

异常的引入：表示CPU执行指令时本身出现的问题

如算术溢出、除零、取数时的奇偶错，访存地址时越界或执行了 “陷入指令” 等，这时硬件改变了 CPU 当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序或执行系统调用

早期两者都是中断，后来有了区分，区分的标准是主要是产生的原因

事件分类

1. 中断（外中断）
   1. IO 中断。比如键盘上按 ctrl+c、网卡接收到数据包、打印机结束、读盘结束
   2. 时钟中断。比如设置的定时器到时间了、cpu 上运行的时间片时间到了
   3. 硬件故障。比如笔记本电脑电池耗尽报警、读内存奇偶检验错误
2. 异常（内中断）
   1. 系统调用
   2. 页故障/页错误
   3. 保护性异常
   4. 断点异常
   5. 其他程序的异常，如算术溢出等

中断：外部事件，正在运行的程序所不期望的
异常：正在执行的指令引发的

中断异常机制工作原理

中断异常机制是现代计算机系统的核心机制之一。

硬件和软件相互配合而使计算机系统的已充分发挥能力。

硬件主要工作是响应。

捕获中断源发出的中断/异常请求，以一定方式响应，将处理器控制权交给特定的处理程序。

软件的主要工作是处理。

识别中断/异常类型并完成相应的处理。

硬件部分

中断响应示意图

1. 设备发送中断信号
2. 中断硬件部件保存现场，把内存保存到了系统堆栈内，主要是 PSW（程序状态字） + PC
3. 中断硬件根据中断码查中断向量表，得到对应的处理程序
4. 把中断处理程序入口地址等信息推送到相应的寄存器
5. 执行中断处理程序（从中断断点开始执行，完事之后继续执行）

软件部分

中断处理程序

设计操作系统时，为每一类中断/异常时间都编好相应的处理程序，并设置好中断向量表

系统运行时若响应中断，中断硬件部件将 CPU 控制权转给中断处理程序：

1. 保存相关寄存器信息
2. 分析中断/异常的具体原因
3. 执行对应的处理功能
4. 恢复现场，返回被事件打断的程序

小结

以设备输入输出中断为例：

1. 打印机给 CPU 发中断信号
2. CPU 处理完当前指令后检测到终端，判断出中断来源并向相关设备发确认信号
3. CPU 开始为软件处理终端做准备：
   1. CPU 状态被切换为内核态
   2. 在系统栈中保存被中断程序的重要上下文环境，主要是程序计数器 PC，程序状态字 PSW
4. CPU 根据中断码查中断向量表，获得与该中断相关的处理程序的入口地址，并将 PC 设置成该地址，新的指令周期开始时，CPU 控制转移到中断处理程序
5. 中断处理程序开始工作
   1. 在系统栈中保存现场信息
   2. 检查 I/O 设备的状态信息，操纵 I/O 设备或者在设备和内存之间传送数据等等
6. 中断处理结束后，CPU 检测到中断返回指令，从系统栈中恢复被中断程序的上下文环境，CPU 状态恢复成原来的状态，PSW 和 PC 恢复成中断前的值，CPU 开始一个新的指令周期

1-6 中只有 5 工作在软件部件，其余都工作在硬件部件

参考

• https://www.bilibili.com/video/BV1D441117ib?p=8