湘潭大學(xué)操作系統(tǒng)第2章課件ppt講述

1、1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)第第2章章 中斷中斷2目目 錄錄l2.1 中斷的基本概念l2.2 中斷在操作系統(tǒng)中的地位l2.3 中斷響應(yīng)過程l2.4 中斷處理過程l2.5 向量中斷32.1 中斷的基本概念中斷的基本概念l所謂中斷，就是指CPU在執(zhí)行一個程序時，對系統(tǒng)發(fā)生的某個事件（程序自身或外界的原因引起的）會做出的一種反應(yīng)，即CPU暫停正在暫停正在執(zhí)行的程序，保留當(dāng)前程序的運行現(xiàn)場后自動執(zhí)行的程序，保留當(dāng)前程序的運行現(xiàn)場后自動轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的事件，處理完該事件后，又返轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的事件，處理完該事件后，又返回到之前的程序斷點，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序回到之前的程序斷點，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。 42

2、.1 中斷的基本概念中斷的基本概念圖 2.1 中斷概念示意圖52.1 中斷的基本概念中斷的基本概念l中斷具有以下特點：l隨機性：在系統(tǒng)運行過程中，中斷事件隨時可能出現(xiàn)。l可恢復(fù)性：完成對某一事件的中斷處理程序后，系統(tǒng)會返回到原程序的斷點處繼續(xù)執(zhí)行。l自動性：在中斷事件發(fā)生后，進入中斷、執(zhí)行中斷處理程序以及中斷返回都是由系統(tǒng)自動完成的。62.1 中斷的基本概念中斷的基本概念l系統(tǒng)在進入中斷時，會訪問中斷寄存器和程序狀態(tài)字（Program Statement Word，PSW）寄存器的內(nèi)容。l系統(tǒng)硬件會為每個中斷源設(shè)置中斷寄存器，中斷發(fā)生時的相關(guān)信息被記錄在該寄存器中，以便分析處理。l中斷寄存器中

3、的內(nèi)容稱為中斷字。l程序狀態(tài)字寄存器的作用是控制指令的執(zhí)行順序并保留和指示與程序相關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)。72.1 中斷的基本概念中斷的基本概念lPSW主要包括：l指令地址：程序當(dāng)前應(yīng)該執(zhí)行的指令的地址，有些機器會將該信息存放在一個單獨的寄存器程序計數(shù)器（PC）當(dāng)中。l條件碼：當(dāng)前指令的執(zhí)行情況。l目態(tài)(用戶態(tài))/管態(tài)(系統(tǒng)態(tài))：CPU處于何種工作狀態(tài)。l中斷屏蔽位：程序在執(zhí)行時應(yīng)該屏蔽哪些中斷，即哪些中斷發(fā)生時CPU不予響應(yīng)。常用于需要連續(xù)運行的程序中，防止任務(wù)被中斷干擾。在中斷服務(wù)中設(shè)置適當(dāng)?shù)钠帘挝?，可以起到對?yōu)先級不同的中斷源的屏蔽作用，防止在執(zhí)行某一類中斷處理時受其它中斷干擾。l尋址方式、編址、

4、保護鍵。l響應(yīng)中斷的內(nèi)容。82.1.1 中斷的作用中斷的作用l中斷具有如下一些作用：l（1）實現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備并行工作。l（2）實現(xiàn)硬件故障處理。l（3）實現(xiàn)人-機聯(lián)系。l（4）實現(xiàn)多道程序和分時操作。l（5）實現(xiàn)實時處理。l（6）實現(xiàn)應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)的聯(lián)系。l（7）實現(xiàn)多處理機系統(tǒng)中處理機之間的聯(lián)系。92.1.2 中斷的類型中斷的類型l按中斷功能分類l硬件故障中斷硬件故障中斷：機器發(fā)生故障時所產(chǎn)生的中斷叫做硬件故障中斷。l程序性中斷程序性中斷：在執(zhí)行程序的過程中，發(fā)現(xiàn)了程序性質(zhì)的錯誤或出現(xiàn)了某些程序的特定狀態(tài)而產(chǎn)生的中斷叫做程序性中斷。l外部中斷外部中斷：對某臺中央處理機而言，它的外部

5、非通道式裝置所引起的中斷叫做外部中斷。l輸入輸入/輸出中斷輸出中斷：輸入/輸出中斷是當(dāng)外部設(shè)備或通道操作正常結(jié)束或發(fā)生某種錯誤時所發(fā)生的中斷。l訪管中斷訪管中斷：對操作系統(tǒng)提出某種需求（請求I/O傳輸、創(chuàng)建進程等）時所發(fā)出的中斷叫做訪管中斷，即用戶在程序中有意識安排的中斷。這是由于用戶在編制程序時需要使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，有意使用訪管指令或系統(tǒng)調(diào)用所引起的中斷，又稱軟中斷。102.1.2 中斷的類型中斷的類型l按中斷方式分類l強迫性中斷強迫性中斷：中斷事件不是正在運行的程序所期待的這類中斷稱之為強迫性中斷，這類中斷通常是由某種事故或外部請求信號所引起的，如：硬件故障中斷、外部中斷、輸入/輸出

6、中斷等。l自愿中斷自愿中斷：正在運行的程序所期待的事件引起的中斷稱之為自愿中斷，這類中斷通常是由運行程序自身請求操作系統(tǒng)服務(wù)而引起的，如：訪管中斷。112.1.2 中斷的類型中斷的類型l按中斷來源分類l外中斷外中斷：由處理機外部事件引起的中斷稱為外中斷，又稱為中斷或異步中斷，它是隨著CPU的時鐘隨機產(chǎn)生的，可能發(fā)生在一條指令的執(zhí)行過程中，也可能發(fā)生在一條指令執(zhí)行之后，但只能在一條指令執(zhí)行結(jié)束之后才能響應(yīng)該中斷。l內(nèi)中斷內(nèi)中斷：由處理機內(nèi)部事件引起的中斷稱為內(nèi)中斷，又稱為異?；蛲街袛啵怯蒀PU控制單元產(chǎn)生，在一條指令執(zhí)行完畢之后才會發(fā)出中斷，一旦發(fā)出中斷，因立即響應(yīng)該中斷。內(nèi)中斷包括訪管中

7、斷、程序性中斷、硬件故障中斷。122.1.3 中斷嵌套、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽中斷嵌套、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽l 中斷嵌套l在處理一個中斷事件時，系統(tǒng)允許響應(yīng)新的中斷事件，此時，就可能出現(xiàn)中斷嵌套的情況，即前一個中斷處理程序的執(zhí)行被終止，轉(zhuǎn)而執(zhí)行新的中斷處理程序。132.1.3 中斷嵌套、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽中斷嵌套、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽l 中斷優(yōu)先級l系統(tǒng)根據(jù)中斷事件的重要性和緊迫程度，將中斷源劃分為若干個級別，稱為中斷優(yōu)先級，中斷優(yōu)先級是由硬件規(guī)定的。l當(dāng)有多個中斷同時發(fā)生時，系統(tǒng)會根據(jù)優(yōu)先級的高低來決定響應(yīng)中斷的先后次序，即優(yōu)先響應(yīng)優(yōu)先級別高的中斷。l對相同級別的中斷，則按照硬件規(guī)定的次序響

8、應(yīng)。l中斷優(yōu)先級的存在就保證了系統(tǒng)在響應(yīng)中斷時，不會出現(xiàn)低優(yōu)先級的中斷打斷高優(yōu)先級中斷工作的情況。l一般情況下，中斷優(yōu)先級的順序為：硬件故障中斷自愿性中斷程序性中斷外部中斷輸入/輸出中斷。142.1.3 中斷嵌套、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽中斷嵌套、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽l中斷屏蔽l某些時候，系統(tǒng)在處理低優(yōu)先級的中斷事件時，并不希望它被高優(yōu)先級的中斷所打斷，那這個時候就可以借助中斷屏蔽技術(shù)來實現(xiàn)該需求。l程序狀態(tài)字（PSW）中的中斷屏蔽位與一些中斷事件相對應(yīng)，當(dāng)某一位有屏蔽標(biāo)志時，表示屏蔽掉系統(tǒng)對相應(yīng)事件的響應(yīng)。l要注意的一點是：自愿性中斷是不能屏蔽的。152.2 中斷在操作系統(tǒng)中的地位中斷在操作系統(tǒng)

9、中的地位l中斷是多道程序并發(fā)執(zhí)行的推動力l在單CPU的計算機系統(tǒng)中，要使多道程序得以并發(fā)執(zhí)行，關(guān)鍵在于CPU要能在這些程序間不斷地切換，使得每道程序都有機會在CPU上運行，從而實現(xiàn)宏觀上的并行性，而導(dǎo)致這種切換的動力主要就是時時鐘中斷鐘中斷。 l多道程序通常是按照一定的“時間片”交替的使用CPU。當(dāng)一個正在CPU上運行的程序的“時間片”到期后，便會把CPU讓給另一個程序使用，這就是CPU的按“時間片”的切換，而“時間片”是否到期，顯然是由時鐘計時的。 162.2 中斷在操作系統(tǒng)中的地位中斷在操作系統(tǒng)中的地位l操作系統(tǒng)是由中斷驅(qū)動的 l操作系統(tǒng)是一個由眾多模塊組成的集合，這些模塊大致可以分為三類

10、： l第一類是在系統(tǒng)初啟之后便和用戶態(tài)程序一起主動地參與并發(fā)執(zhí)行 l第二類是直接面對用戶態(tài)的程序 l第三類是那些既不主動運行、也不直接面對用戶態(tài)程序的程序 172.3 中斷響應(yīng)過程中斷響應(yīng)過程l發(fā)現(xiàn)中斷源 182.3 中斷響應(yīng)過程中斷響應(yīng)過程l保護和恢復(fù)現(xiàn)場 l現(xiàn)場是指在中斷的那一時刻能確保程序繼續(xù)運行的有關(guān)信息。 l為了確保被中斷的程序能從恢復(fù)點繼續(xù)運行，必須在該程序重新運行之前，把保留的該程序的現(xiàn)場信息從主存中送至相應(yīng)的各個寄存器當(dāng)中，把完成這些工作稱為恢復(fù)現(xiàn)場。 192.3 中斷響應(yīng)過程中斷響應(yīng)過程l中斷響應(yīng) l中斷響應(yīng)是當(dāng)CPU發(fā)現(xiàn)已有中斷請求時，終止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，并自動引出中斷處理

11、程序的過程。 l當(dāng)發(fā)生中斷事件時，中斷系統(tǒng)必須立即將程序斷點的現(xiàn)場信息存放到主存約定單元進行保存，用于中斷返回時恢復(fù)現(xiàn)場使用。 l中斷響應(yīng)的實質(zhì)就是交換用戶程序和相應(yīng)中斷處理程序的指令執(zhí)行地址和處理器狀態(tài)，以達到保存斷點和自動執(zhí)行中斷處理程序的目的。 202.4 中斷處理過程中斷處理過程 2.4.1 中斷處理流程中斷處理流程l保護現(xiàn)場和傳遞參數(shù)保護現(xiàn)場和傳遞參數(shù) l對現(xiàn)場進行保護，包括對斷點的保護和對通用寄存器以及狀態(tài)寄存器的保護。 l執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序 l針對響應(yīng)的中斷事件，執(zhí)行處理該事件的中斷服務(wù)程序。 l恢復(fù)現(xiàn)場并退出中斷恢復(fù)現(xiàn)場并退出中斷 l執(zhí)行完中斷處理程序

12、，系統(tǒng)要返回到之前的斷點處繼續(xù)執(zhí)行，所以要將先前保存的斷點信息重新加載進系統(tǒng)的各個寄存器當(dāng)中，并將中斷屏蔽字還原，這一過程稱為恢復(fù)現(xiàn)場。 2122 2.4.2 中斷服務(wù)程序簡介中斷服務(wù)程序簡介 l硬件故障中斷事件的處理 l由硬件故障引起的中斷，往往需要人為干預(yù)去排除故障，而操作系統(tǒng)所做的工作一般只是保護現(xiàn)場，防止故障蔓延，并向操作員報告和提供相關(guān)故障信息。 l例如，當(dāng)主存的奇偶校驗裝置發(fā)現(xiàn)主存讀寫錯誤時，便產(chǎn)生讀主存錯的中斷事件。 23 2.4.2 中斷服務(wù)程序簡介中斷服務(wù)程序簡介 l程序性中斷事件的處理 l處理程序性中斷事件一般有兩種方法： l一是對于那些純屬程序錯誤而又難以克服的事件純屬程

13、序錯誤而又難以克服的事件，如地址越界、非管態(tài)時使用了管態(tài)指令、企圖寫入半固定存儲器或禁寫區(qū)等，操作系統(tǒng)只能將出錯的進程名、出錯只能將出錯的進程名、出錯地址和錯誤性質(zhì)報告給操作員，請求干預(yù)地址和錯誤性質(zhì)報告給操作員，請求干預(yù)； l二是對于其它一些程序性中斷事件，如溢出、跟蹤等，不同的用戶往往有不同的要求，所以，操作系統(tǒng)可以將可以將這些程序性中斷事件交給用戶自行處理這些程序性中斷事件交給用戶自行處理。 24 2.4.2 中斷服務(wù)程序簡介中斷服務(wù)程序簡介 l外部中斷事件的處理 l外部中斷是由外部非通道式裝置所引起的中斷，包括有時鐘中斷、操作員控制臺中斷、多機系統(tǒng)中CPU到CPU的通信中斷等。 l輸入

14、/輸出中斷事件的處理 l輸入/輸出中斷主要是指外部設(shè)備中斷，一般可分為傳輸結(jié)束中斷、傳輸錯誤中斷和設(shè)備故障中斷。l訪管中斷事件的處理 25 2.5 向量中斷向量中斷 l當(dāng)中斷發(fā)生時，由中斷源引起CPU進入中斷服務(wù)程序的中斷過程稱為向量中斷向量中斷。 l為了提高中斷處理的速度，在向量中斷中，對每一個中斷類型都設(shè)置一個中斷向量每一個中斷類型都設(shè)置一個中斷向量。 l中斷向量包括該類中斷的中斷服務(wù)程序的入口中斷的中斷服務(wù)程序的入口地址和處理器狀態(tài)字地址和處理器狀態(tài)字（PSW）。 l系統(tǒng)中所有不同類型中斷的中斷向量集中存放在一起，形成中斷向量表。在中斷向量表中，存放每一個中斷向量的地址稱為中斷向量地址。 26 2.5 向量中斷向量中斷 圖 2.6 集中在CPU內(nèi)的向量地址形成部件27 2.5 向量中斷向量中斷 圖 2.7 向量中斷處理28小結(jié)小結(jié)l中斷是實現(xiàn)操作系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的硬件支持功能，是實現(xiàn)多道程序運行環(huán)境的