《外部中斷》課件

外部中斷外部中斷是指來自系統(tǒng)外部的事件，例如按鍵按下、鼠標點擊或定時器中斷。這些事件會打斷程序的正常執(zhí)行，并觸發(fā)相應的處理程序來處理這些外部事件。課程簡介課程目標深入了解外部中斷的工作原理、機制及應用掌握中斷處理流程、中斷服務程序(ISR)的編寫方法學習中斷控制器、中斷優(yōu)先級、嵌套中斷等概念課程內容介紹中斷的概念、類型及發(fā)生機制重點講解外部中斷的處理流程、中斷向量表、中斷控制器結合案例分析，展示中斷在操作系統(tǒng)中的重要應用中斷的定義外部事件中斷是一種機制，用于處理來自外部設備的事件。CPU控制權轉移當發(fā)生中斷時，CPU會暫停當前執(zhí)行的程序，并將控制權轉交給中斷服務程序。中斷服務程序(ISR)中斷服務程序負責處理中斷事件，完成特定的操作，然后將控制權返回給被中斷的程序。中斷的類型11.硬件中斷由硬件設備觸發(fā)，例如鍵盤按下、磁盤讀取完成等。22.軟件中斷由程序代碼主動觸發(fā)，例如系統(tǒng)調用。33.內核中斷由內核自身觸發(fā)，例如定時器中斷。44.外部中斷由外部設備觸發(fā)，例如串口接收數(shù)據(jù)。硬件中斷外部事件觸發(fā)硬件中斷由外部設備或硬件事件引發(fā)，例如鍵盤按下、鼠標點擊、磁盤讀寫完成等。中斷請求當硬件設備發(fā)生中斷事件時，會向處理器發(fā)出中斷請求信號，通知處理器需要處理該事件。中斷控制器中斷控制器負責接收來自各硬件設備的中斷請求，并將其傳遞給處理器，實現(xiàn)中斷的管理和控制。中斷響應處理器接收到中斷請求后，會停止當前執(zhí)行的任務，保存當前狀態(tài)，并跳轉到相應的中斷服務程序進行處理。軟件中斷程序主動觸發(fā)軟件中斷由程序指令（例如INT或SVC指令）引發(fā)，通常用于請求操作系統(tǒng)服務或進行特定操作。調試和測試軟件中斷可用于程序調試，例如設置斷點或檢查程序狀態(tài)，幫助開發(fā)人員定位和解決問題。異常處理當程序遇到異常情況（如除零錯誤或內存訪問錯誤）時，操作系統(tǒng)會通過軟件中斷來處理這些異常并進行恢復。內核中斷內核事件觸發(fā)由操作系統(tǒng)內部事件引起，例如計時器中斷、內存管理錯誤等。系統(tǒng)維護用于處理內核級錯誤、執(zhí)行系統(tǒng)維護任務，例如內存回收、文件系統(tǒng)檢查等。時間管理內核中斷用于維護系統(tǒng)時間、執(zhí)行定時任務，例如定期更新系統(tǒng)時鐘。外部中斷外部事件觸發(fā)外部設備或事件發(fā)送信號，通知處理器進行處理。中斷請求信號通過中斷控制器向處理器發(fā)送中斷請求。中斷處理過程處理器暫停當前執(zhí)行任務，跳轉到中斷服務程序執(zhí)行。應用場景鍵盤、鼠標、網(wǎng)絡接口等外設都需要使用外部中斷進行處理。中斷的發(fā)生機制事件觸發(fā)外部硬件設備發(fā)生事件，比如按鍵按下、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到達、定時器超時。中斷信號硬件設備向CPU發(fā)送中斷信號，通知CPU發(fā)生了事件。中斷處理CPU接收中斷信號，暫停當前執(zhí)行的程序，進入中斷處理流程。中斷服務程序CPU執(zhí)行相應的中斷服務程序，處理中斷事件，并恢復被中斷的程序。中斷的處理流程1中斷發(fā)生CPU接收中斷信號2保存上下文保存當前程序狀態(tài)3執(zhí)行ISR處理中斷事件4恢復上下文恢復中斷前的程序狀態(tài)當系統(tǒng)接收到中斷信號時，CPU會暫停當前執(zhí)行的程序，保存其運行狀態(tài)，然后跳轉到對應的中斷服務程序(ISR)進行處理。處理完成后，CPU會恢復之前保存的程序狀態(tài)并繼續(xù)執(zhí)行。中斷服務程序(ISR)中斷服務程序中斷服務程序是操作系統(tǒng)中專門用來處理中斷事件的代碼。ISR代碼通常簡潔高效，專注于完成中斷事件的處理邏輯，比如讀取中斷信息、更新狀態(tài)或執(zhí)行特定操作。中斷處理流程中斷發(fā)生時，CPU會立即停止當前正在執(zhí)行的任務，轉而執(zhí)行ISR代碼。ISR代碼執(zhí)行完畢后，CPU會恢復之前中斷的執(zhí)行狀態(tài)，并繼續(xù)執(zhí)行之前中斷的代碼。關鍵寄存器介紹狀態(tài)寄存器(PSW)狀態(tài)寄存器存儲CPU的狀態(tài)信息，例如當前運行模式、中斷使能狀態(tài)和標志位。程序計數(shù)器(PC)程序計數(shù)器指向下一條要執(zhí)行的指令地址，用于控制程序的流程。堆棧指針(SP)堆棧指針指向堆棧的頂部，用于管理函數(shù)調用、局部變量和中斷處理。中斷向量表11.地址映射中斷向量表保存了每個中斷類型對應的處理程序地址，它將中斷號映射到內存地址。22.快速響應中斷發(fā)生后，CPU可以快速定位到相應的處理程序，從而實現(xiàn)快速響應。33.統(tǒng)一管理集中管理所有中斷處理程序的地址，方便系統(tǒng)進行維護和擴展。中斷控制器硬件組件中斷控制器是計算機系統(tǒng)中的一個專用硬件組件，負責管理和處理來自各個設備的中斷請求。中斷優(yōu)先級中斷控制器可以根據(jù)中斷請求的優(yōu)先級進行排序，確保重要的中斷請求能夠及時得到處理。中斷屏蔽中斷控制器可以屏蔽某些中斷請求，例如，當系統(tǒng)處于關鍵操作時，可以屏蔽一些非緊急的中斷請求。中斷向量表中斷控制器會維護一個中斷向量表，用于將中斷請求映射到對應的中斷處理程序。中斷優(yōu)先級11.優(yōu)先級設置每個中斷源都有一個優(yōu)先級，用于決定中斷的響應順序。22.高優(yōu)先級優(yōu)先如果多個中斷同時發(fā)生，系統(tǒng)會優(yōu)先處理優(yōu)先級最高的中斷。33.中斷優(yōu)先級表操作系統(tǒng)維護一張中斷優(yōu)先級表，用于記錄每個中斷源的優(yōu)先級。44.中斷屏蔽可以通過屏蔽低優(yōu)先級中斷來保證高優(yōu)先級中斷的及時響應。嵌套中斷中斷嵌套嵌套中斷是指在一個中斷服務程序執(zhí)行過程中，另一個中斷發(fā)生，此時系統(tǒng)會保存當前中斷服務程序的上下文，并跳轉到新中斷的服務程序執(zhí)行。優(yōu)先級處理嵌套中斷的處理需要遵循優(yōu)先級規(guī)則，高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu)先級的中斷服務程序。中斷鏈多個中斷嵌套執(zhí)行時，會形成一個中斷鏈，最后需要返回到最開始被打斷的中斷服務程序。中斷屏蔽中斷屏蔽的目的中斷屏蔽是防止某些中斷被處理的一種機制。例如，當一個設備正在進行一項關鍵操作時，為了避免被其他中斷打斷，可以對該設備的中斷進行屏蔽。中斷屏蔽可以提高系統(tǒng)效率，防止中斷處理程序被不必要的請求占用，影響系統(tǒng)性能。中斷屏蔽的方法中斷屏蔽通常通過設置中斷控制器中的相關寄存器來實現(xiàn)。每個中斷源都有一個對應的屏蔽位，將該位設置為1就可以屏蔽該中斷。例如，通過設置中斷控制器的屏蔽寄存器，可以屏蔽掉來自某個特定設備的硬件中斷。中斷延遲中斷延遲中斷延遲是指從中斷發(fā)生到中斷服務程序開始執(zhí)行的時間間隔。因素影響中斷延遲受多種因素影響，包括處理器速度、中斷處理程序的復雜度以及操作系統(tǒng)調度策略等。影響性能中斷延遲過長會導致系統(tǒng)響應時間變慢，影響系統(tǒng)性能和實時性。系統(tǒng)調用11.用戶空間和內核空間用戶進程無法直接訪問內核資源，需要通過系統(tǒng)調用進入內核空間。22.內核提供的服務系統(tǒng)調用為用戶提供訪問硬件、管理資源、控制進程等系統(tǒng)服務。33.特權指令執(zhí)行系統(tǒng)調用通常涉及執(zhí)行特權指令，需要內核權限才能執(zhí)行。44.提升程序能力通過系統(tǒng)調用，用戶程序可以執(zhí)行超出自身權限的操作，實現(xiàn)更強大的功能。系統(tǒng)調用流程1用戶程序請求應用程序發(fā)出系統(tǒng)調用指令2陷入內核CPU切換到內核模式3內核處理內核執(zhí)行系統(tǒng)調用函數(shù)4返回結果內核將結果返回給用戶程序用戶程序通過系統(tǒng)調用指令，將控制權交給內核，由內核完成相應的操作，并將結果返回給用戶程序。系統(tǒng)調用實現(xiàn)系統(tǒng)調用接口系統(tǒng)調用接口提供一個標準化的方式供用戶程序訪問內核功能。內核代碼內核代碼實現(xiàn)了系統(tǒng)調用功能，例如文件系統(tǒng)訪問、內存管理、進程管理等。用戶程序用戶程序通過系統(tǒng)調用接口來請求內核執(zhí)行特定操作。系統(tǒng)調用的應用進程管理系統(tǒng)調用用于創(chuàng)建、終止、掛起和恢復進程。它們還用于設置進程優(yōu)先級和分配內存。文件管理系統(tǒng)調用用于打開、關閉、讀取和寫入文件。它們還用于創(chuàng)建、刪除和重命名文件。設備管理系統(tǒng)調用用于訪問和控制設備。它們還用于處理中斷和其他硬件事件。網(wǎng)絡通信系統(tǒng)調用用于建立、維護和斷開網(wǎng)絡連接。它們還用于發(fā)送和接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。信號機制異步事件通知信號是軟件中斷的一種形式，用于通知進程發(fā)生特定事件。進程間通信信號允許進程之間進行異步通信，傳遞信息或觸發(fā)特定操作。錯誤處理信號可以用來捕獲程序錯誤，例如除零錯誤或內存訪問錯誤。信號的定義異步事件通知信號是操作系統(tǒng)發(fā)送給進程的異步事件通知，用于通知進程發(fā)生了某種事件，如中斷、錯誤或用戶請求。軟件中斷信號可以被視為軟件中斷，它們會導致進程暫停當前執(zhí)行的指令，并執(zhí)行相應的信號處理函數(shù)。信號處理函數(shù)進程可以通過注冊信號處理函數(shù)來定義當收到特定信號時應該執(zhí)行的操作。信號的類型異步信號由硬件事件觸發(fā)，例如中斷。中斷信號是系統(tǒng)響應外部事件的機制。同步信號由軟件事件觸發(fā)，例如進程之間的通信。進程間通信信號用于協(xié)調不同進程的行為。信號的處理信號捕捉進程可以通過調用`sigaction()`函數(shù)設置信號處理函數(shù)，當進程收到信號時，系統(tǒng)會調用該處理函數(shù)。信號忽略進程可以通過調用`signal()`函數(shù)將信號設置為SIG_IGN，表示忽略該信號。信號默認處理如果進程沒有為信號設置處理函數(shù)，則系統(tǒng)會執(zhí)行信號的默認處理方式，通常是終止進程或暫停進程。信號的傳遞11.進程間信號可以在不同的進程之間傳遞，使進程之間能夠互相通知。22.異步信號的傳遞是異步的，即信號可以在任何時間點到達，不受進程當前狀態(tài)的影響。33.阻塞信號的傳遞可以被阻塞，這意味著進程可以選擇忽略某些類型的信號。44.隊列信號的傳遞是通過信號隊列實現(xiàn)的，每個進程都有一個與之相關的信號隊列。信號的阻塞阻塞機制阻止信號對進程的影響，使進程無法接收或處理特定信號。信號屏蔽字使用信號屏蔽字來控制哪些信號被阻塞，哪些信號被允許傳遞。阻塞作用防止程序被意外中斷，例如在關鍵代碼段執(zhí)行期間避免信號干擾。信號的實現(xiàn)硬件實現(xiàn)信號在操作系統(tǒng)內核中通過中斷機制實現(xiàn)，利用硬件中斷來模擬信號發(fā)生。軟件實現(xiàn)內核維護一個信號表，記錄每個進程的信號處理函數(shù)和信號掩碼。進程間通信信號可以跨進程傳遞，實現(xiàn)進程間的異步通信。應用案例分析外部中斷在實際應用中非常廣泛，例如，鍵盤輸入、鼠標點擊、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收等都是通過外部中斷實現(xiàn)的。以鍵盤輸入為例，當用戶按下鍵盤上的某個鍵時，會產(chǎn)生一個中斷信號，操作系統(tǒng)會處理該中斷信號，并將用戶輸入的字符存入緩沖區(qū)。操作系統(tǒng)可以根據(jù)中斷信號來判斷用戶的操作，從而進行相應的處理。課程總結中斷機制中斷是操作系統(tǒng)中重要