1.1_5_中断和异常1

中断和异常是计算机系统中至关重要的机制，它们是操作系统与硬件之间进行通信的关键途径，使得操作系统能够有效地管理和调度CPU资源，实现多任务并发执行。在操作系统中，CPU的使用权在内核态和用户态之间切换，中断在此过程中扮演了核心角色。 我们要理解中断的两个基本类型：内中断（异常）和外中断。内中断通常是由CPU内部的错误或特定指令（如陷入指令）引发，如尝试在用户态执行特权指令、除以零错误或者系统调用等。这些中断是应用程序或处理器内部条件导致的，目的是请求操作系统内核提供服务。相反，外中断是由CPU外部的硬件事件触发，如时钟中断、I/O设备完成操作发出的中断信号。例如，时钟中断用于时间片轮转调度，I/O中断则在输入输出操作完成后通知CPU。 中断的运作机制包括以下几个关键步骤： 1. **中断检测**：CPU在执行指令的过程中，会在适当的时候检查是否有中断信号，这可能是每条指令执行完毕后，或者是特定时刻（如时钟周期）。 2. **中断保存现场**：一旦检测到中断，CPU会保存当前正在执行的程序的状态，包括寄存器值、程序计数器（PC）等，以便稍后恢复执行。 3. **中断处理**：CPU会根据中断信号类型查找中断向量表，中断向量表存储了对应中断处理程序的地址。中断处理程序通常位于内核代码段，处理程序会负责处理中断事件，如处理错误、完成I/O操作或执行系统调用所请求的服务。 4. **进入内核态**：中断处理程序运行在内核态，具有最高权限，可以执行特权指令。这确保了操作系统能对系统资源进行必要的控制和保护。 5. **中断恢复**：中断处理完成后，CPU会恢复之前被保存的现场，并返回到中断前的指令处继续执行。对于某些内中断，如果错误被成功处理，CPU使用权可能会返回给原应用程序；而对于致命错误，如除以零，系统可能直接终止应用程序。 6. **中断屏蔽**：为了防止在处理中断时再次被其他中断打断，操作系统可以暂时禁止中断，这被称为中断屏蔽。在安全地处理完当前中断后再解除屏蔽，允许其他中断发生。 中断机制的存在使得操作系统能够在必要时中断应用程序的执行，执行系统服务或响应硬件事件，然后恢复应用程序的执行，从而实现了多任务并行处理和实时性。没有中断，操作系统将无法高效地调度资源，程序并发也就无从谈起。因此，中断和异常机制是现代计算机系统中不可或缺的部分，对于理解和设计操作系统至关重要。