第2章 中断技术.ppt

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1、第2章 中断技术n中断是现代操作系统的常用技术之一，是实现多道程序的必要条件。中断在操作系统中的地位n中断是CPU与外设并行的基础之一，是多道程序并发执行的推动力，也是操作系统的推动力即OS是由中断驱动的。表现为：n程序间的切换由时钟中断推动n系统调用通过中断机构处理n操作系统中的管理程序，如I/O程序，由中断驱动2.1 中断的概念n在计算机系统中存在着多种活动，如系统进程执行管理功能，用户进程完成用户提交的任务，要使这些活动相互协调，应具有中断能力。2.1.1 中断的作用nCPU与I/O设备并行工作：设备传输结束发中断n硬件故障处理：出现故障发中断n实现人机联系：干预机器运行，了解机器状态，

2、下达临时命令n实现多道程序和分时系统：切换n实现实时处理：以中断方式传送实时信号n实现应用程序与OS联系：如软中断n多处理机间的联系：以中断方式实现多处理机间的信息交流和任务切换2.1.2 中断的有关概念1n中断：指计算机执行期间，系统内发生了某个急需处理的事件，使CPU暂时中止当前正在执行的程序，而转去处理相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行。n中断信号：发生某个事件时发出的信号。n中断处理程序：用于处理中断信号的工作程序。中断的有关概念2n中断事件：又称中断源，引起中断的那个事件。n程序状态字：反映程序运行状态的一组信息。主要包括：n指令地址n指令执行情况nCPU状态

3、（管/目态）n中断屏蔽字n寻址方式中断中断(外中断外中断)异常异常(内中断内中断)例外例外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异常缺页异常断点指令断点指令其他程序性异常其他程序性异常(如算术溢出等如算术溢出等)中断中断(狭义狭义)与异常的区别与异常的区别:中断中断:与正执行指令无关，可以屏蔽与正执行指令无关，可以屏蔽异常异常: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中断的概念（3）程序状态字PSW(Program Status Word)在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置CPU状态nCPU的工作状态码指明管态还是目态，用来说

4、明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其他的特殊权力n条件码反映指令执行后的结果特征n中断屏蔽码指出是否允许中断例:微处理器M68000的程序状态字条件位：条件位：C：进位标志位进位标志位 V：溢出标志位溢出标志位Z：结果为零标志位结果为零标志位N：结果为负标志位结果为负标志位I0 I2：三位中断屏蔽位三位中断屏蔽位S：CPU状态标志位，为状态标志位，为1处于管态，为处于管态，为0处于目态处于目态T：陷阱陷阱（Trap）中断指示位为中断指示位为1，在下一条指令执行后引起自陷中断在下一条指令执行后引起自陷中断CPU状态的转换目态管态 唯一途径 是 中断

5、管态目态 设置PSW(修改程序状态字)可实现2.1.3 中断的类型n硬件故障中断：机器发生故障时产生的中断。如电源故障、奇偶校验错等。n程序性中断：程序执行时发生了程序性质的错误或出现了某些特定状态而产生的中断。如溢出、地址错、指令跟踪等。n外部中断：中央处理机外部的非通道式装置引起的中断。如时钟中断、控制台中断等。n输入/输出中断：外设或通道操作正常完成或发生某种错误时产生的中断。如传输结束、设备错误等。n访管中断：对OS提出某种服务要求时发生的中断，又称软中断。强迫性中断和自愿性中断n强迫性中断由随机事件引起而非程序员事先安排，硬件故障中断、程序性中断、外部中断及输入/输出中断是强迫性中断

6、。n自愿性中断：是正在运行程序所期待的事件，是由执行一条访管指令所引起的。2.1.4 中断嵌套n在处理一个中断事件时，系统又响应了新的中断事件。程序执行程序执行中断中断中断处理中断处理再次中断再次中断嵌套中断处理嵌套中断处理返回返回返回返回中断优先级n中断优先级是中断响应的优先级别。n当多个中断发生时，系统根据优先级决定响应中断的次序，优先响应高优先级的中断，同级中断则按硬件规定的次序响应。n中断优先级由高到低的顺序为：硬件故障中断、访管中断、程序性中断、外部中断、输入/输出中断。中断优先级设计原则：一般来说，高速设备的中中断优先级设计原则：一般来说，高速设备的中断优先级高，慢速设备的中断优先

7、级低。因为高断优先级高，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时，可以让处理速设备的中断被处理机优先响应时，可以让处理机尽快地向它发出下一个机尽快地向它发出下一个I/OI/O请求，提高高速设备请求，提高高速设备的利用率的利用率如如PDP-11PDP-11机上的机上的UNIXUNIX系统把中断级别分为：系统把中断级别分为：时钟中断时钟中断中断优先级中断优先级6 6级级磁盘中断磁盘中断中断优先级中断优先级5 5级级终端等其他外设中断终端等其他外设中断中断优先级中断优先级4 4级级中断优先级中断屏蔽n中断屏蔽表示暂时封锁对中断的响应，待屏蔽消除后再响应。n让屏蔽字与一些中断事件对

8、应，当某中断屏蔽时，其屏蔽标志置位，表示封锁对相应事件的响应；当中断产生时，若没有屏蔽则响应中断，若屏蔽则暂时不响应该中断，待屏蔽标志消除后再响应。n注意：自愿性中断不能屏蔽。中断屏蔽有两种方法中断屏蔽有两种方法：n 硬件实现硬件实现由软件置处理机优先级，硬件按系由软件置处理机优先级，硬件按系统设计时的约定，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n 软件实现软件实现由软件按操作系统优先级约定由软件按操作系统优先级约定,设置设置屏蔽寄存器屏蔽寄存器中断优先级和中断屏蔽2.2 中断响应n中断响应：当处理机发现中断请求时，终止现行程序的运行，并自动引出中断处理程序的过程。其响应流程

9、如下图所示。2.2.1 中断响应流程图执行一条指令 指令结束？Y 有中断请求？开中断？YY响应中断取下条指令NN中断响应过程n中断响应过程一般包含以下几步：n发现中断源n保护现场n引出中断处理程序发现中断源n发现中断源：通过扫描中断寄存器检查有无中断请求。n中断装置：发现中断源而产生中断过程的设备称为中断装置。中断由软硬件协同完成，软硬件部分合称中断系统。中断系统的职能是实现中断进入。n断点及恢复点：发现中断时刚执行完的那条指令所在的单元号称为断点，断点的逻辑后继指令的单元号称为恢复点。保护现场n保护现场：当中断发生时，将现场信息保存到内存中。n现场：指中断那一刻能确保程序继续运行的信息，主要

10、包括：后继指令单元号、程序运行时CPU状态、指令执行情况、程序执行中间结果。n恢复现场：被中断程序恢复运行之前，将保存的现场信息恢复到内存中。引出中断处理程序n引出中断处理程序：中断发生时，中断系统将程序状态字的内容保存到主存约定单元中，再将中断处理程序的程序状态字送入相应的寄存器，于是引出了中断处理程序。n中断响应的本质是交换程序状态字的内容以达到保留程序断点信息、自动转入相应的中断处理程序。强迫性中断事件强迫性中断事件自愿性中断事件自愿性中断事件保存现场信息保存现场信息保存现场信息保存现场信息取出中断码取出中断码取出访管号取出访管号分析中断原因分析中断原因分析何种系统调用分析何种系统调用转

11、相应处理程序转相应处理程序是否中断嵌套是否中断嵌套由系统恢复现场由系统恢复现场由系统恢复现场由系统恢复现场转低级调度程序转低级调度程序返回上层中断返回上层中断返回目态程序返回目态程序需要切换进程需要切换进程 TFFT2.3 中断处理过程n中断处理功能由硬件和软件配合完成。硬件负责中断的发现及进入，软件负责中断的分析处理及恢复工作。n软件中断处理过程主要有三项工作：n保护被中断程序的现场并传递参数n执行相应的中断服务程序n恢复被中断程序的现场并退出中断设备控制器或其他设备控制器或其他系统硬件发出中断系统硬件发出中断处理器完成当前指处理器完成当前指令的执行令的执行处理器接受中断处理器接受中断处理器

12、将处理器将PSW和和PC推入系统堆栈推入系统堆栈处理器根据中断类处理器根据中断类型读入新的型读入新的PC值值中断系统硬件完成的工作中断系统硬件完成的工作保存进程状态的其保存进程状态的其余信息余信息进程中断进程中断恢复进程状态信息恢复进程状态信息从系统堆栈恢复原从系统堆栈恢复原PSW和和PC中断系统软件完成的工作中断系统软件完成的工作 系统多道能力的重要推动力量，时钟中断处理程序通常做与系统运转、管理和维护相关的工作，包括：n维护软件时钟：系统有若干个软件时钟，控制定时任务以及进程的处理器时间配额，时钟中断需要维护、定时更新这些软件时钟n处理器时间调度：维护当前进程时间片软件时钟，并在当前进程时

13、间片到时以后运行调度程序选择下一个被调度的进程n控制系统定时任务：通过软件时钟和调度程序定时激活一些系统任务，如监测死锁、系统记帐、系统审计等n实时处理典型的中断处理：时钟中断程序指令出错、指令越权或者指令寻址越界而引发两类处理方法：n只能由操作系统的相关扩展功能模块完成 多为程序试图作不能做的操作引起的系统保护 如访问合法的、但不在内存虚地址内，引发页故障页故障一般会引发OS虚存模块作一个页面换入n可由程序自己完成，如一些算术运算错误 不同程序可有不同处理方法，所以很多OS提供由用户自己处理这类中断的“绿色通道”系统调试中断（断点中断、单步跟踪）也可被用户程序处理，用以支持各种程序调试典型的

14、中断处理：程序性中断典型的中断处理：I/O中断由I/O设备的控制器或者通道发出两类I/O中断：nI/O操作正常结束 如果要继续I/O操作，需要在准备好以后重新启动I/O，若请求I/O程序正处于等待I/O状态，则应将其唤醒nI/O异常 需要重新执行失败的I/O操作。重试次数有上限，次数过大，系统将判定硬件故障典型的中断处理：硬件故障中断 硬件故障中断处理程序一般需要做的工作：n保存现场，使用一定警告手段，提供些辅助诊断信息n在高可靠系统中，中断处理程序还要评估系统可用性，尽可能恢复系统 如Windows 2000/XP，关键硬件发生故障时，如显示卡损坏，出现系统蓝屏，系统实际上进入相应故障处理程

15、序，发现故障不可恢复，则在屏幕上打印出发生故障时程序位置，并开始进行内存转储（将一定范围的内存内容写上磁盘，是系统故障时的全系统“快照”），备日后故障诊断典型的中断处理：系统服务请求（自愿性中断）系统服务请求由处理器专用指令（访管指令）激发n如x86处理器提供int指令，用来激发软件中断n其他不少处理器则提供系统调用指令syscall 执行专用指令的结果是系统被切换到管态，并且转移到一段专门OS程序处开始执行n指令格式通常是指令名加请求服务识别号（中断号）nOS利用处理器提供的这种接口建立系统服务体系n处理器一般不负责定义系统调用所传递的参数格式nDOS：21h号中断的系统服务功能以及参数列表

16、 现代操作系统一般不提供直接使用系统调用指令的接口，通常做法：提供一套方便、实用的应用程序函数库（应用程序设计接口API）n从应用层面重新封装系统调用n屏蔽复杂的系统调用传参问题n高级语言接口，有助于快速开发有的系统在更高层面提供系统程序设计模板库和类库n 如Windows 2000/XP提供封装系统用Win32 API和高层编程机制MFC以及ATLn Linux提供封装系统调用、符合POSIX标准 API和C运行库典型的中断处理：系统服务请求实例n用软件指令去查询各设备接口 这种方法比较费时n多数微型机对此问题的解决方法：使用一种“向量中断”的硬件设施“中断向量”：n当CPU接受某中断请求时

17、，该设备接口给处理器发送具有唯一性的“中断向量”，以标识该设备n“中断向量”在各计算机上实现方法差别比较大两种中断解决方法2.4 向量中断n向量中断：中断发生是由中断源引导CPU进入中断处理程序。n中断向量：由中断处理程序入口地址及其处理机状态构成。n中断向量表：由系统中所有中断向量集中在一起构成。n探询中断：中断发生时，先转入某大类中断处理程序入口，然后分析产生中断的具体原因，再转入具体中断程序。中断向量：中断向量：一个存放中断处理程序入口地址和程一个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序运行所需处理机状态字的内存单元硬件按中断号、异常类型的不同通过中断向量表硬件按中

18、断号、异常类型的不同通过中断向量表转移转移中断向量表在有的机器中：将主存最低位128个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字中断请求的设备接口为了标识自己，向处理器发送一个该设备在中断向量表中表目的地址指针中断响应IRQ nIRQ全称为Interrupt Request，即“中断请求”的意思。IRQ的作用就是在我们所用的电脑中，执行硬件中断请求的动作，用来停止其相关硬件的工作状态。n计算机中的中断根据信号产生的来源可分为：硬件中断和软件中断。硬件中断多由外围设备和计算机系统控制器发出，软件中断一般由软件命令产生。在硬件中断中又有“可屏蔽中断”和“不可屏蔽中断”之分。顾名思义，可屏蔽中断可以由计算机根据系统的需要来决定是否进行接收处理或是延后处理（即屏蔽）；而不可屏蔽中断便是直接激活相应的中断处理程序，它不能也不会被延误，IRQ中断就是可屏蔽的硬件中断。n现在的Windows操作系统已经运用PNP技术，这种“即插即用”的功能可以将IRQ进行自动分配，大大简化了用户的操作。