考研党修行——操作系统的中断与异常

1.知识总览

2.中断的作用
我们知道在CPU上会运行两种程序，一种是操作系统的内核程序，一种是应用程序。内核程序是整个系统的管理者，在计算机启动时，CPU处于内核态，只是在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序。一个应用程序在上CPU运行之后，它就会一直运行下去，除非发送中断。

”中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径，使CPU由用户态变为内核态。

那么问题来了，如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序。那么如果CPU一直运行同一个应用程序，将如何实现多道程序并发这个事情呢？
3.中断的类型
中断分为内中断与外中断
内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU内部
外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU外部

我们来看内中断的例子：
例1.试图在用户态下执行特权指令

例2.执行除法指令时发现除数为0

总之，若当前执行的指令是非法的，或执行指令的参数是非法的，那么就会引发一个中断信号。

例3.有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号。

执行陷入指令，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核，系统调用就是通过陷入指令完成的
注意：陷入指令是一种特殊的指令不是特权指令

再来看外中断的例子：
例1.时钟中断——由时钟部件发来的中断信号

如图：系统中想要并发的运行两个应用程序，首先应用程序1运行在用户态，CPU执行其指令，假如当CPU执行两条指令后，时钟部件检测已经执行过了50ms，于是时钟部件会给CPU发送一个中断信号，此时CPU会暂停执行应用程序1，转而去执行处理时钟中断的内核程序，去处理这个中断信号。

此时CPU由用户态转为内核态，在处理中断信号的内核程序中，操作系统内核发现应用程序1已经用了50ms，为了公平起见，操作系统内核决定接下来让另一个应用程序2上CPU运行。

CPU又从内核态转为用户态，CPU执行应用程序2的指令，同样的，时钟部件检测已经过了50ms，于是时钟部件再次会给CPU发送一个中断信号，此时CPU又会暂停执行应用程序2，转而去执行处理时钟中断的内核程序。

在处理中断信号的内核程序中，操作系统内核发现应用程序2已经用了50ms，为了公平起见，操作系统内核决定接下来又让应用程序1上CPU运行，于是将CPU的使用权让给应用程序1，然后应用程序1就会执行它之后的未执行的指令，依次往复…

例2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号
除了时钟部件，当输入输出任务完成时，输入/输出设备会向CPU发送中断信号…

每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外部中断信号

（需要明确的一点是，“中断“特指狭义的中断，即外中断。而内中断一般称为“异常”）

4.中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。

当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询”中断向量表“，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

5.小节概述