操作系统中的中断（详细介绍+图片理解）

【中断的概念】

• 中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程
• 操作系统是“中断驱动”的；换言之，中断（广义）是激活操作系统的唯一方式
• 中断有广义和狭义之分，上述中断时指广义的中断

【中断、异常与系统异常】

• 狭义的中断来源于处理器之外的中断事件，即与当前运行指令无关的中断事件，如I/O中断、时钟中断、外部信号中断等
• 异常（来源于CPU内部的中断事件，和狭义共同构成广义的中断）指当前运行指令引起的中断事件，如地址异常、算术异常、处理器硬件故障等
• 系统异常与硬件无关，系统异常指执行陷入指令而触发系统调用引起的中断事件，如请求设备、请求I/O、创建进程等

【中断源—处理器硬件故障中断事件】

• 由处理器、内存储器、总线等硬件故障引起
• 处理原则为：保护现场，停止设备，停止CPU，向操作员报告，等待人工干预

【中断源—程序性中断事件】

• 处理器执行机器指令引起

  #除数为零、操作数溢出等算术异常：简单处理，报告用户；也可以由用户编写中断续元程序处理

  #非法指令、用户态使用特权指令、地址越界、非法存取等指令异常：终止进程

  #终止进程指令：终止进程

  #虚拟地址异常：调整内存后重新执行指令

【中断源—自愿性中断事件】

• 处理器执行陷入指令请求OS服务引起；在操作系统中，它一般又被称作系统调用

  #请求分配外设、请求I/O、等等

  #处理流程是：陷入OS，保护现场，根据功能号查入口地址，跳转具体处理程序

【中断源—I/O中断事件】

• 来源于外围设备报告I/O状态的中断事件

  #I/O完成：调整进程状态，释放等待进程

  #I/O出错：等到人工干预

  #I/O异常：等待人工干预

【中断源—外部中断事件】

• 由外围设备发出的信号引起的中断事件

  #时钟中断、间隔时钟中断：记时与时间片处理

  #设备报到与结束中断：调整设备表

  #键盘/鼠标信号中断：根据信号做出相应反映

  #关机/重启动中断：写回文件，停止设备与CPU

【中断系统】

• 中断系统是计算机系统中响应和处理中断的系统，包括硬件子系统和软件子系统两部分
• 中断响应由硬件子系统完成
• 中断处理由软件子系统完成

【中断响应处理与指令执行周期】

• 在指令执行周期最后增加一个未操作，以响应中断

  

【中断装置】

• 计算机系统中发现并响应中断/异常的硬件装置称为中断装置

• 由于中断源的多样性，硬件实现的中断装置有多重，分别处理不同类型的终端

• 这些中断装置因计算机而异，通常有：

  #处理器外的中断：由 中断控制器 发现和响应

  #处理器内的异常：由 指令的控制逻辑和实现线路 发现和响应，响应机制成为陷阱

  #请求OS服务的系统异常：处理器执行 陷入指令 时直接触发，响应机制称为系统陷阱

【中断控制器】

• 中断控制器：CPU中的一个控制部件，包括中断控制逻辑线路和中断寄存器

  #外部设备向其发出中断请求IRQ，在中断寄存器中设置已发生的中断

  #指令处理结束前，会检查中断寄存器，若有不被屏蔽的终端产生，则改变处理器内操作的顺序，引出操作系统中的中断处理程序

【陷阱与系统陷阱】

• 陷阱与系统陷阱：指令的逻辑实现线路的一部分

  #执行指令出现异常后，会根据异常情况转向操作系统的异常处理程序

  #出现虚拟地址异常后，需要重新执行指令，往往越过陷阱独立设置页面异常处理程序

  #执行陷入指令后，越过陷阱处理，触发系统陷阱，激活系统调用处理程序

【中断响应过程】

• 发现中断源，提出中断请求

  #发现中断寄存器中记录的中断

  #决定这些中断是否被屏蔽

  #当有多个要响应的中断源时，根据规定的优先级选择一个

• 中断当前程序的执行

  #保存当前程序的PSW/PC到核心栈

• 转向操作系统的中断处理程序

【中断的处理】

• 中断处理程序

  操作系统处理中断事件的控制程序，主要任务是处理中断事件和恢复正常操作

• 中断处理程序

  #保护未被硬件保护的处理器状态

  #通过分析被中断进程的PSW中断码字段，识别中断源

  #分别处理发生中的中断事件

  #恢复正常操作

【恢复正常操作】

• 情况一：对于某些中断，在处理完毕后，直接返回刚刚被中断的进程
• 情况二：对于其他一些中断，要中断当前进程的运行，调整进程队列，启动进程调度，选择下一个执行的进程并恢复其执行

【中断系统处理流程】

【中断屏蔽】

• 当计算机检测到中断时，中断装置通过中断屏蔽位决定是否响应已发生的中断
• 有选择的响应中断

【中断优先级】

• 当计算机同时检测到多个中断时，中断装置响应中断的顺序

• 有优先的的响应中断

• 一种可能的处理次序

  #处理机硬件故障中断事件、自愿性中断事件、程序性中断事件、时钟中断等外部中断事件、输入输出中断事件、重启动和关机中断事件

• 不同类型的操作系统有不同的中断优先级

【中断的嵌套处理】

• 当计算机响应中断后，在中断处理过程中，可以再响应其他中断
• 操作系统是性能攸关程序，且中断响应处理有硬件要求，考虑系统效率和实现代价问题，中断的嵌套处理应限制在一定层数内，如3层
• 中断的嵌套处理改变中断处理次序，先响应的有可能后处理

【多中断的响应与处理】

• 决定中断处理次序的因素

  #中断屏蔽可以使中断装置不响应某些中断

  #中断优先级决定了中断装置响应中断的次序

  #中断可以嵌套处理，但嵌套的层数应有限制

  #中断的嵌套处理改变了中断处理的次序

【多重中断处理-1】

• X、Y两个中断同时发生

• 先响应X

• 因Y被屏蔽，继续处理X

• 再响应并处理Y

  

【多重中断处理-2】

• X、Y两个中断同时发生

• 根据中断优先级，先响应X

• 因未屏蔽Y，再响应并处理Y

• Y处理完成后，再处理X