11windows操作系统概述 (3).ppt

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1、第三讲中断系统目的与要求:理解内核程序运行机制中理解内核程序运行机制中断断/异常（陷入）机制及中断异常（陷入）机制及中断/异常（陷入）异常（陷入）处理过程。处理过程。重点与难点:中断系统概念及中断中断系统概念及中断/异常（陷异常（陷入）处理过程。入）处理过程。作业：1，5，6中断的引入中断的引入:为了开发为了开发CPUCPU和通道和通道(或设备或设备)之之间的并行操作，当间的并行操作，当CPUCPU启动通道启动通道(或设备或设备)进进行输入输出后，通道行输入输出后，通道(或设备或设备)可以独立工作，可以独立工作，CPUCPU也可以转去做与此次输入输出不相关的也可以转去做与此次输入输出不相关的其

2、它任务。其它任务。通道通道(或设备或设备)输入输出完成后，必须告诉输入输出完成后，必须告诉CPUCPU，让，让CPUCPU继续输入输出以后的事情，通道继续输入输出以后的事情，通道(或设备或设备)通过向通过向CPUCPU发中断告诉发中断告诉CPUCPU此次输入此次输入输出结束输出结束。第二章第二章 操作系统结构操作系统结构2.12.1中断中断/异常（陷入）异常（陷入）异常（陷入）引入：用于表示表示CPUCPU执行指令执行指令时本身出现算术溢出，零做除数，取数时的时本身出现算术溢出，零做除数，取数时的奇偶错，访存指令越界，或就是执行了一条奇偶错，访存指令越界，或就是执行了一条所谓所谓“陷入指令陷入

3、指令”（用于实现系统调用）等（用于实现系统调用）等情况，这时中断当前的执行流程，转到相应情况，这时中断当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或陷入处理程序。的错误处理程序或陷入处理程序。中断中断/异常（陷入）异常（陷入）:指系统发生某个异步指系统发生某个异步/同步事件后同步事件后,处理机暂停正在执行的程序处理机暂停正在执行的程序,转转去执行处理该事件程序的过程。去执行处理该事件程序的过程。2.1.1中断/异常（陷入）分类中断中断(外中断外中断)异常异常(内中断内中断)陷入陷入I/OI/O中断中断时钟中断时钟中断系统调用系统调用缺页缺页断点指令断点指令其它程序性异常其它程序性异常(如算术溢出等如

4、算术溢出等)中断中断(狭义狭义)与异常（陷入）的区别与异常（陷入）的区别:中断中断:与正执行指令无关，可以屏蔽与正执行指令无关，可以屏蔽异常或陷入异常或陷入:与正执行指令有关，不可屏蔽与正执行指令有关，不可屏蔽*广义中断广义中断2.1.2中断的分级与屏蔽中断寄存器中断寄存器:寄存中断事件的全部触发器。寄存中断事件的全部触发器。中断位中断位:每个触发器称为一个中断位，当发每个触发器称为一个中断位，当发生某个中断事件时相应位被置上。生某个中断事件时相应位被置上。中断序号中断序号:给中断的一个顺序编号给中断的一个顺序编号.中断响应中断响应:由硬件在执行每一条指令的最后由硬件在执行每一条指令的最后时刻

5、判断是否有中断时刻判断是否有中断,有则无条件转入操作有则无条件转入操作系统的中断处理程序系统的中断处理程序.中断寄存器图示*高级中断处理高级中断处理中级中断处理中级中断处理低级中断处理低级中断处理中断优先级:中断的优先程度中断的优先程度.原则上原则上,高、高、低优先级中断同时到先响应高级中断。高级低优先级中断同时到先响应高级中断。高级中断可以打断低级中断处理程序的运行，同中断可以打断低级中断处理程序的运行，同级中断同时到时，则按位序响应。级中断同时到时，则按位序响应。中断优先级设计原则中断优先级设计原则：一般来说，高速设备一般来说，高速设备的中断优先级高，慢速设备的中断优先级低。的中断优先级高

6、，慢速设备的中断优先级低。因为高速设备的中断被处理机优先响应可以因为高速设备的中断被处理机优先响应可以让处理机尽快地向他发出下一个让处理机尽快地向他发出下一个I/OI/O请求，请求，提高高速设备的利用率。在交互式系统中也提高高速设备的利用率。在交互式系统中也可以考虑用户响应满意优先原则。可以考虑用户响应满意优先原则。如某机上的如某机上的UNIXUNIX系统把中断级别分为：系统把中断级别分为：时钟中断：中断优先级时钟中断：中断优先级6 6级级磁盘中断：中断优先级磁盘中断：中断优先级5 5级级终端等其它外设中断：中断优先级终端等其它外设中断：中断优先级4 4级级处理机优先级处理机优先级:指处理机正

7、运行程序的中断指处理机正运行程序的中断响应级别。在中断处理程序运行前设置。即响应级别。在中断处理程序运行前设置。即当处理机处理某一优先级中断时，只允许处当处理机处理某一优先级中断时，只允许处理机去响应比该优先级高的中断理机去响应比该优先级高的中断,而屏蔽低而屏蔽低于或等于该优先级的中断。于或等于该优先级的中断。中断屏蔽中断屏蔽:指禁止处理机响应中断或禁止中指禁止处理机响应中断或禁止中断出现断出现.中断寄存器中断寄存器 屏蔽寄存器屏蔽寄存器1110响应中断*软件实现中断屏蔽图示中断屏蔽有两种方法中断屏蔽有两种方法:硬件实现硬件实现(软件置处理机优先级软件置处理机优先级,硬件按系硬件按系统设计时的

8、约定屏蔽那些低优先级中断统设计时的约定屏蔽那些低优先级中断)软件实现软件实现(由软件按中断优先级约定置屏蔽由软件按中断优先级约定置屏蔽寄存器寄存器)*)*2.22.2中断中断/异常（陷入）响应和处理异常（陷入）响应和处理CPUCPU能能够够在在每每条条机机器器指指令令执执行行周周期期内内的的最最后后时时刻刻扫扫描描中中断断寄寄存存器器，“询询问问”是是否否有有中中断断信信号号。若若无无中中断断信信号号，CPUCPU继继续续执执行行程程序序的的后后续续指指令令，否否则则CPUCPU停停止止执执行行当当前前程程序序的的后后续续指指令令，无无条条件件地地转转入入操操作作系系统统内内的的中中断断处处理

9、程序。这一过程称为中断响应。理程序。这一过程称为中断响应。异常（陷入）是在执行指令的时候，由指异常（陷入）是在执行指令的时候，由指令本身的原因发生的，令本身的原因发生的，CPUCPU中指令的执行逻中指令的执行逻辑发现发生了异常（陷入）则转入操作系统辑发现发生了异常（陷入）则转入操作系统内的异常（陷入）处理程序。内的异常（陷入）处理程序。1 1、断点和恢复点、断点和恢复点PCPC:程序计数器程序计数器.指向马上要执行的那一条指向马上要执行的那一条指令指令.断点断点:检测到中断时检测到中断时,处理机刚执行完的那处理机刚执行完的那条指令地址条指令地址.恢复点恢复点:断点的逻辑后续指令地址断点的逻辑后

10、续指令地址.PC.PC的值的值.现场信息现场信息:指中断那一刻确保被中断程序能指中断那一刻确保被中断程序能继续运行的有关信息继续运行的有关信息.如如PC,PC,通用寄存器通用寄存器,特特殊寄存器等殊寄存器等.*.*几个基本概念几个基本概念断点和恢复点图示断点恢复点2 2、核心态与用户态、核心态与用户态核心态核心态(系统态,监督方式,管态):允许特权允许特权指令执行的状态指令执行的状态,在此状态下地址空间也较在此状态下地址空间也较大大.用户态用户态(用户态,用户方式,目态):一般程序一般程序所运行的状态所运行的状态.PS(PSW):PS(PSW):处理机状态字处理机状态字.寄存处理机运行状寄存处

11、理机运行状态的寄存器态的寄存器.当前处理机状态当前处理机状态.处理机优先级处理机优先级各种控制位各种控制位(如如,外中断赋能位外中断赋能位)*)*3 3、中断向量、中断向量中断向量:一片存放中断处理程序入口地址一片存放中断处理程序入口地址和程序运行所需处理机状态字的内存单元。和程序运行所需处理机状态字的内存单元。硬件按中断号，异常（陷入）类型的不同通硬件按中断号，异常（陷入）类型的不同通过中断向量表散转。过中断向量表散转。中断中断/异常（陷入）处理的一般过程异常（陷入）处理的一般过程中断中断,异常（陷入）进入异常（陷入）进入保存现场保存现场分析原因分析原因,转中断转中断/异常（陷入）处理程序异

12、常（陷入）处理程序恢复现场恢复现场中断处理的流程图：保护现场保护现场分析中断原因分析中断原因 该级还有中断该级还有中断?有条件地有条件地进行低调进行低调恢复现场恢复现场某机UNIX中断处理详细过程:1.中断,异常（陷入）进入硬件自动将当前硬件自动将当前PC,PSPC,PS存入暂存寄存器存入暂存寄存器.硬件按中断号从指定的中断向量单元中取硬件按中断号从指定的中断向量单元中取出新的出新的PC,PSPC,PS内容装入内容装入 PC,PSPC,PS寄存器寄存器.将原将原PC,PSPC,PS保存到现场保护区栈保存到现场保护区栈*2.保存现场 现场保存现场保存/恢复过程示例恢复过程示例.一个现场区栈帧的形

13、成过程:硬件将硬件将PS,PCPS,PC压栈压栈,且根据中断类将中断向量表中且根据中断类将中断向量表中的新的的新的PS,PCPS,PC值送值送PS,PCPS,PC寄存器寄存器.中断入口第一条为转总控程序指令中断入口第一条为转总控程序指令,该特殊转移指该特殊转移指令将令将r0r0压栈且将中断处理程序地址存入压栈且将中断处理程序地址存入r0.r0.由总控程序将新的由总控程序将新的PSPS压栈压栈(因其中有陷入号信息因其中有陷入号信息).).由总控将由总控将r1,r6r1,r6压栈压栈(r6(r6中为栈指针中为栈指针,此时是上一栈此时是上一栈帧顶或用户栈顶帧顶或用户栈顶).).由总控从新由总控从新P

14、SPS低五位截取低五位截取traptrap号号进入栈进入栈.总控在转相应中断总控在转相应中断(trap)(trap)处理程序时处理程序时,将返回地址将返回地址压栈压栈.由各中断由各中断(trap)(trap)处理程序先将处理程序先将r5,r4,r3,r2r5,r4,r3,r2压栈压栈,返回总控时恢复返回总控时恢复r2,r3,r4,r5.*r2,r3,r4,r5.*PS硬件保存硬件保存增增PC长长r0方方nps（新（新psps)向向r1r6总控程序保存总控程序保存dev(trap(trap号）号）tpc（总控返回地址总控返回地址）r5r4处理程序保存处理程序保存r3r2sp3.分析原因,转中断/

15、异常（陷入）处理程序总控程序直接根据总控程序直接根据r0(r0(已存放好中断程序的已存放好中断程序的入口地址入口地址)内容转子内容转子.进行中断进行中断(陷入陷入)处理处理,转子时已将返回地址压栈转子时已将返回地址压栈(转子指令自动转子指令自动).*).*注：注：中断处理中断处理通常是向设备控制器发下一通常是向设备控制器发下一个个I/OI/O请求，并就绪原等请求，并就绪原等I/OI/O结束的进程。结束的进程。异常（陷入）处理异常（陷入）处理包含操作系统系统调用包含操作系统系统调用处理，及异常时进程结束处理。处理，及异常时进程结束处理。4.恢复现场（总控程序）1.1.回退到核态时回退到核态时:退

16、栈退栈.恢复恢复r0,r1r0,r1执行执行rttrtt指令指令.该指令自动将栈帧中保存的该指令自动将栈帧中保存的原原PC,PSPC,PS值装入值装入PC,PSPC,PS寄存器寄存器.2.2.回退到用户态时回退到用户态时:低调（进行进程调度）低调（进行进程调度）.退栈退栈.恢复恢复r0,r1r0,r1执行执行rttrtt指令指令.该指令自动将栈帧中的该指令自动将栈帧中的PC,PSPC,PS值装入值装入PC,PSPC,PS寄存器寄存器.*.*主要内容主要内容中断中断/异常（陷入）异常（陷入）引起系统内核程序运行引起系统内核程序运行中断中断/异常（陷入）的分类异常（陷入）的分类 中断的分级中断的分级 中断中断/异常（陷入）响应和处理异常（陷入）响应和处理 中断中断/异常（陷入）响应异常（陷入）响应 中断中断/异常（陷入）处理过程异常（陷入）处理过程