湘潭大学操作系统第2章课件

1计算机操作系统第2章中断2目录2.1中断的基本概念2.2中断在操作系统中的地位2.3中断响应过程2.4中断处理过程2.5向量中断32.1中断的基本概念所谓中断，就是指CPU在执行一个程序时，对系统发生的某个事件（程序自身或外界的原因引起的）会做出的一种反应，即CPU暂停正在执行的程序，保留当前程序的运行现场后自动转去处理相应的事件，处理完该事件后，又返回到之前的程序断点，继续执行被中断的程序。42.1中断的基本概念图2.1中断概念示意图52.1中断的基本概念中断具有以下特点：随机性：在系统运行过程中，中断事件随时可能出现。可恢复性：完成对某一事件的中断处理程序后，系统会返回到原程序的断点处继续执行。自动性：在中断事件发生后，进入中断、执行中断处理程序以及中断返回都是由系统自动完成的。62.1中断的基本概念系统在进入中断时，会访问中断寄存器和程序状态字（ProgramStatementWord，PSW）寄存器的内容。系统硬件会为每个中断源设置中断寄存器，中断发生时的相关信息被记录在该寄存器中，以便分析处理。中断寄存器中的内容称为中断字。程序状态字寄存器的作用是控制指令的执行顺序并保留和指示与程序相关的系统状态。72.1中断的基本概念PSW主要包括：指令地址：程序当前应该执行的指令的地址，有些机器会将该信息存放在一个单独的寄存器——程序计数器（PC）当中。条件码：当前指令的执行情况。目态(用户态)/管态(系统态)：CPU处于何种工作状态。中断屏蔽位：程序在执行时应该屏蔽哪些中断，即哪些中断发生时CPU不予响应。常用于需要连续运行的程序中，防止任务被中断干扰。在中断服务中设置适当的屏蔽位，可以起到对优先级不同的中断源的屏蔽作用，防止在执行某一类中断处理时受其它中断干扰。寻址方式、编址、保护键。响应中断的内容。82.1.1中断的作用中断具有如下一些作用：（1）实现CPU与I/O设备并行工作。（2）实现硬件故障处理。（3）实现人-机联系。（4）实现多道程序和分时操作。（5）实现实时处理。（6）实现应用程序和操作系统的联系。（7）实现多处理机系统中处理机之间的联系。92.1.2中断的类型按中断功能分类①硬件故障中断：机器发生故障时所产生的中断叫做硬件故障中断。②程序性中断：在执行程序的过程中，发现了程序性质的错误或出现了某些程序的特定状态而产生的中断叫做程序性中断。③外部中断：对某台中央处理机而言，它的外部非通道式装置所引起的中断叫做外部中断。④输入/输出中断：输入/输出中断是当外部设备或通道操作正常结束或发生某种错误时所发生的中断。⑤访管中断：对操作系统提出某种需求（请求I/O传输、创建进程等）时所发出的中断叫做访管中断，即用户在程序中有意识安排的中断。这是由于用户在编制程序时需要使用操作系统提供的服务，有意使用访管指令或系统调用所引起的中断，又称软中断。102.1.2中断的类型按中断方式分类①强迫性中断：中断事件不是正在运行的程序所期待的这类中断称之为强迫性中断，这类中断通常是由某种事故或外部请求信号所引起的，如：硬件故障中断、外部中断、输入/输出中断等。②自愿中断：正在运行的程序所期待的事件引起的中断称之为自愿中断，这类中断通常是由运行程序自身请求操作系统服务而引起的，如：访管中断。112.1.2中断的类型按中断来源分类①外中断：由处理机外部事件引起的中断称为外中断，又称为中断或异步中断，它是随着CPU的时钟随机产生的，可能发生在一条指令的执行过程中，也可能发生在一条指令执行之后，但只能在一条指令执行结束之后才能响应该中断。②内中断：由处理机内部事件引起的中断称为内中断，又称为异常或同步中断，它是由CPU控制单元产生，在一条指令执行完毕之后才会发出中断，一旦发出中断，因立即响应该中断。内中断包括访管中断、程序性中断、硬件故障中断。122.1.3中断嵌套、中断优先级和中断屏蔽①中断嵌套在处理一个中断事件时，系统允许响应新的中断事件，此时，就可能出现中断嵌套的情况，即前一个中断处理程序的执行被终止，转而执行新的中断处理程序。132.1.3中断嵌套、中断优先级和中断屏蔽②中断优先级系统根据中断事件的重要性和紧迫程度，将中断源划分为若干个级别，称为中断优先级，中断优先级是由硬件规定的。当有多个中断同时发生时，系统会根据优先级的高低来决定响应中断的先后次序，即优先响应优先级别高的中断。对相同级别的中断，则按照硬件规定的次序响应。中断优先级的存在就保证了系统在响应中断时，不会出现低优先级的中断打断高优先级中断工作的情况。一般情况下，中断优先级的顺序为：硬件故障中断>自愿性中断>程序性中断>外部中断>输入/输出中断。142.1.3中断嵌套、中断优先级和中断屏蔽③中断屏蔽某些时候，系统在处理低优先级的中断事件时，并不希望它被高优先级的中断所打断，那这个时候就可以借助中断屏蔽技术来实现该需求。程序状态字（PSW）中的中断屏蔽位与一些中断事件相对应，当某一位有屏蔽标志时，表示屏蔽掉系统对相应事件的响应。要注意的一点是：自愿性中断是不能屏蔽的。152.2中断在操作系统中的地位中断是多道程序并发执行的推动力在单CPU的计算机系统中，要使多道程序得以并发执行，关键在于CPU要能在这些程序间不断地切换，使得每道程序都有机会在CPU上运行，从而实现宏观上的并行性，而导致这种切换的动力主要就是时钟中断。多道程序通常是按照一定的“时间片”交替的使用CPU。当一个正在CPU上运行的程序的“时间片”到期后，便会把CPU让给另一个程序使用，这就是CPU的按“时间片”的切换，而“时间片”是否到期，显然是由时钟计时的。162.2中断在操作系统中的地位操作系统是由中断驱动的操作系统是一个由众多模块组成的集合，这些模块大致可以分为三类：第一类是在系统初启之后便和用户态程序一起主动地参与并发执行第二类是直接面对用户态的程序第三类是那些既不主动运行、也不直接面对用户态程序的程序172.3中断响应过程发现中断源182.3中断响应过程保护和恢复现场现场是指在中断的那一时刻能确保程序继续运行的有关信息。为了确保被中断的程序能从恢复点继续运行，必须在该程序重新运行之前，把保留的该程序的现场信息从主存中送至相应的各个寄存器当中，把完成这些工作称为恢复现场。192.3中断响应过程中断响应中断响应是当CPU发现已有中断请求时，终止现行程序的执行，并自动引出中断处理程序的过程。当发生中断事件时，中断系统必须立即将程序断点的现场信息存放到主存约定单元进行保存，用于中断返回时恢复现场使用。中断响应的实质就是交换用户程序和相应中断处理程序的指令执行地址和处理器状态，以达到保存断点和自动执行中断处理程序的目的。202.4中断处理过程

2.4.1中断处理流程保护现场和传递参数对现场进行保护，包括对断点的保护和对通用寄存器以及状态寄存器的保护。执行相应的中断服务程序针对响应的中断事件，执行处理该事件的中断服务程序。恢复现场并退出中断执行完中断处理程序，系统要返回到之前的断点处继续执行，所以要将先前保存的断点信息重新加载进系统的各个寄存器当中，并将中断屏蔽字还原，这一过程称为恢复现场。21222.4.2中断服务程序简介硬件故障中断事件的处理由硬件故障引起的中断，往往需要人为干预去排除故障，而操作系统所做的工作一般只是保护现场，防止故障蔓延，并向操作员报告和提供相关故障信息。例如，当主存的奇偶校验装置发现主存读写错误时，便产生读主存错的中断事件。232.4.2中断服务程序简介程序性中断事件的处理处理程序性中断事件一般有两种方法：一是对于那些纯属程序错误而又难以克服的事件，如地址越界、非管态时使用了管态指令、企图写入半固定存储器或禁写区等，操作系统只能将出错的进程名、出错地址和错误性质报告给操作员，请求干预；二是对于其它一些程序性中断事件，如溢出、跟踪等，不同的用户往往有不同的要求，所以，操作系统可以将这些程序性中断事件交给用户自行处理。242.4.2中断服务程序简介外部中断事件的处理外部中断是由外部非通道式装置所引起的中断，包括有时钟中断、操作员控制台中断、多机系统中CPU到CPU的通信中断等。输入/输出中断事件的处理输入/输出中断主要是指外部设备中断，一般可分为传输结束中断、传输错误中断和设备故障中断。访管中断事件的处理252.5向量中断当中断发生时，由中断源引起CPU进入中断服务程序的中断过程称为向量中断。为了提高中断处理的速度，在向量中断中，对每一个中断类型都设置一个中断向量。中断向量包括该类中断的中断服务程序的入口地址和处理器状态字（PSW）。系统中所有不同类型中断的中断向量集中存放在一起，形成中断向量表。在中断向量表中，存放每一个中断向量的地址称为中断向量地址。262.5向量中断图2.6集中在CPU内的向量地址形成部件272.5向量中断图2.7向量中断处理28小结中