《外部中断》课件

外部中断外部中断是指来自系统外部的事件，例如按键按下、鼠标点击或定时器中断。这些事件会打断程序的正常执行，并触发相应的处理程序来处理这些外部事件。课程简介课程目标深入了解外部中断的工作原理、机制及应用掌握中断处理流程、中断服务程序(ISR)的编写方法学习中断控制器、中断优先级、嵌套中断等概念课程内容介绍中断的概念、类型及发生机制重点讲解外部中断的处理流程、中断向量表、中断控制器结合案例分析，展示中断在操作系统中的重要应用中断的定义外部事件中断是一种机制，用于处理来自外部设备的事件。CPU控制权转移当发生中断时，CPU会暂停当前执行的程序，并将控制权转交给中断服务程序。中断服务程序(ISR)中断服务程序负责处理中断事件，完成特定的操作，然后将控制权返回给被中断的程序。中断的类型11.硬件中断由硬件设备触发，例如键盘按下、磁盘读取完成等。22.软件中断由程序代码主动触发，例如系统调用。33.内核中断由内核自身触发，例如定时器中断。44.外部中断由外部设备触发，例如串口接收数据。硬件中断外部事件触发硬件中断由外部设备或硬件事件引发，例如键盘按下、鼠标点击、磁盘读写完成等。中断请求当硬件设备发生中断事件时，会向处理器发出中断请求信号，通知处理器需要处理该事件。中断控制器中断控制器负责接收来自各硬件设备的中断请求，并将其传递给处理器，实现中断的管理和控制。中断响应处理器接收到中断请求后，会停止当前执行的任务，保存当前状态，并跳转到相应的中断服务程序进行处理。软件中断程序主动触发软件中断由程序指令（例如INT或SVC指令）引发，通常用于请求操作系统服务或进行特定操作。调试和测试软件中断可用于程序调试，例如设置断点或检查程序状态，帮助开发人员定位和解决问题。异常处理当程序遇到异常情况（如除零错误或内存访问错误）时，操作系统会通过软件中断来处理这些异常并进行恢复。内核中断内核事件触发由操作系统内部事件引起，例如计时器中断、内存管理错误等。系统维护用于处理内核级错误、执行系统维护任务，例如内存回收、文件系统检查等。时间管理内核中断用于维护系统时间、执行定时任务，例如定期更新系统时钟。外部中断外部事件触发外部设备或事件发送信号，通知处理器进行处理。中断请求信号通过中断控制器向处理器发送中断请求。中断处理过程处理器暂停当前执行任务，跳转到中断服务程序执行。应用场景键盘、鼠标、网络接口等外设都需要使用外部中断进行处理。中断的发生机制事件触发外部硬件设备发生事件，比如按键按下、网络数据到达、定时器超时。中断信号硬件设备向CPU发送中断信号，通知CPU发生了事件。中断处理CPU接收中断信号，暂停当前执行的程序，进入中断处理流程。中断服务程序CPU执行相应的中断服务程序，处理中断事件，并恢复被中断的程序。中断的处理流程1中断发生CPU接收中断信号2保存上下文保存当前程序状态3执行ISR处理中断事件4恢复上下文恢复中断前的程序状态当系统接收到中断信号时，CPU会暂停当前执行的程序，保存其运行状态，然后跳转到对应的中断服务程序(ISR)进行处理。处理完成后，CPU会恢复之前保存的程序状态并继续执行。中断服务程序(ISR)中断服务程序中断服务程序是操作系统中专门用来处理中断事件的代码。ISR代码通常简洁高效，专注于完成中断事件的处理逻辑，比如读取中断信息、更新状态或执行特定操作。中断处理流程中断发生时，CPU会立即停止当前正在执行的任务，转而执行ISR代码。ISR代码执行完毕后，CPU会恢复之前中断的执行状态，并继续执行之前中断的代码。关键寄存器介绍状态寄存器(PSW)状态寄存器存储CPU的状态信息，例如当前运行模式、中断使能状态和标志位。程序计数器(PC)程序计数器指向下一条要执行的指令地址，用于控制程序的流程。堆栈指针(SP)堆栈指针指向堆栈的顶部，用于管理函数调用、局部变量和中断处理。中断向量表11.地址映射中断向量表保存了每个中断类型对应的处理程序地址，它将中断号映射到内存地址。22.快速响应中断发生后，CPU可以快速定位到相应的处理程序，从而实现快速响应。33.统一管理集中管理所有中断处理程序的地址，方便系统进行维护和扩展。中断控制器硬件组件中断控制器是计算机系统中的一个专用硬件组件，负责管理和处理来自各个设备的中断请求。中断优先级中断控制器可以根据中断请求的优先级进行排序，确保重要的中断请求能够及时得到处理。中断屏蔽中断控制器可以屏蔽某些中断请求，例如，当系统处于关键操作时，可以屏蔽一些非紧急的中断请求。中断向量表中断控制器会维护一个中断向量表，用于将中断请求映射到对应的中断处理程序。中断优先级11.优先级设置每个中断源都有一个优先级，用于决定中断的响应顺序。22.高优先级优先如果多个中断同时发生，系统会优先处理优先级最高的中断。33.中断优先级表操作系统维护一张中断优先级表，用于记录每个中断源的优先级。44.中断屏蔽可以通过屏蔽低优先级中断来保证高优先级中断的及时响应。嵌套中断中断嵌套嵌套中断是指在一个中断服务程序执行过程中，另一个中断发生，此时系统会保存当前中断服务程序的上下文，并跳转到新中断的服务程序执行。优先级处理嵌套中断的处理需要遵循优先级规则，高优先级的中断可以打断低优先级的中断服务程序。中断链多个中断嵌套执行时，会形成一个中断链，最后需要返回到最开始被打断的中断服务程序。中断屏蔽中断屏蔽的目的中断屏蔽是防止某些中断被处理的一种机制。例如，当一个设备正在进行一项关键操作时，为了避免被其他中断打断，可以对该设备的中断进行屏蔽。中断屏蔽可以提高系统效率，防止中断处理程序被不必要的请求占用，影响系统性能。中断屏蔽的方法中断屏蔽通常通过设置中断控制器中的相关寄存器来实现。每个中断源都有一个对应的屏蔽位，将该位设置为1就可以屏蔽该中断。例如，通过设置中断控制器的屏蔽寄存器，可以屏蔽掉来自某个特定设备的硬件中断。中断延迟中断延迟中断延迟是指从中断发生到中断服务程序开始执行的时间间隔。因素影响中断延迟受多种因素影响，包括处理器速度、中断处理程序的复杂度以及操作系统调度策略等。影响性能中断延迟过长会导致系统响应时间变慢，影响系统性能和实时性。系统调用11.用户空间和内核空间用户进程无法直接访问内核资源，需要通过系统调用进入内核空间。22.内核提供的服务系统调用为用户提供访问硬件、管理资源、控制进程等系统服务。33.特权指令执行系统调用通常涉及执行特权指令，需要内核权限才能执行。44.提升程序能力通过系统调用，用户程序可以执行超出自身权限的操作，实现更强大的功能。系统调用流程1用户程序请求应用程序发出系统调用指令2陷入内核CPU切换到内核模式3内核处理内核执行系统调用函数4返回结果内核将结果返回给用户程序用户程序通过系统调用指令，将控制权交给内核，由内核完成相应的操作，并将结果返回给用户程序。系统调用实现系统调用接口系统调用接口提供一个标准化的方式供用户程序访问内核功能。内核代码内核代码实现了系统调用功能，例如文件系统访问、内存管理、进程管理等。用户程序用户程序通过系统调用接口来请求内核执行特定操作。系统调用的应用进程管理系统调用用于创建、终止、挂起和恢复进程。它们还用于设置进程优先级和分配内存。文件管理系统调用用于打开、关闭、读取和写入文件。它们还用于创建、删除和重命名文件。设备管理系统调用用于访问和控制设备。它们还用于处理中断和其他硬件事件。网络通信系统调用用于建立、维护和断开网络连接。它们还用于发送和接收网络数据。信号机制异步事件通知信号是软件中断的一种形式，用于通知进程发生特定事件。进程间通信信号允许进程之间进行异步通信，传递信息或触发特定操作。错误处理信号可以用来捕获程序错误，例如除零错误或内存访问错误。信号的定义异步事件通知信号是操作系统发送给进程的异步事件通知，用于通知进程发生了某种事件，如中断、错误或用户请求。软件中断信号可以被视为软件中断，它们会导致进程暂停当前执行的指令，并执行相应的信号处理函数。信号处理函数进程可以通过注册信号处理函数来定义当收到特定信号时应该执行的操作。信号的类型异步信号由硬件事件触发，例如中断。中断信号是系统响应外部事件的机制。同步信号由软件事件触发，例如进程之间的通信。进程间通信信号用于协调不同进程的行为。信号的处理信号捕捉进程可以通过调用`sigaction()`函数设置信号处理函数，当进程收到信号时，系统会调用该处理函数。信号忽略进程可以通过调用`signal()`函数将信号设置为SIG_IGN，表示忽略该信号。信号默认处理如果进程没有为信号设置处理函数，则系统会执行信号的默认处理方式，通常是终止进程或暂停进程。信号的传递11.进程间信号可以在不同的进程之间传递，使进程之间能够互相通知。22.异步信号的传递是异步的，即信号可以在任何时间点到达，不受进程当前状态的影响。33.阻塞信号的传递可以被阻塞，这意味着进程可以选择忽略某些类型的信号。44.队列信号的传递是通过信号队列实现的，每个进程都有一个与之相关的信号队列。信号的阻塞阻塞机制阻止信号对进程的影响，使进程无法接收或处理特定信号。信号屏蔽字使用信号屏蔽字来控制哪些信号被阻塞，哪些信号被允许传递。阻塞作用防止程序被意外中断，例如在关键代码段执行期间避免信号干扰。信号的实现硬件实现信号在操作系统内核中通过中断机制实现，利用硬件中断来模拟信号发生。软件实现内核维护一个信号表，记录每个进程的信号处理函数和信号掩码。进程间通信信号可以跨进程传递，实现进程间的异步通信。应用案例分析外部中断在实际应用中非常广泛，例如，键盘输入、鼠标点击、网络数据接收等都是通过外部中断实现的。以键盘输入为例，当用户按下键盘上的某个键时，会产生一个中断信号，操作系统会处理该中断信号，并将用户输入的字符存入缓冲区。操作系统可以根据中断信号来判断用户的操作，从而进行相应的处理。课程总结中断机制中断是操作系统中重要