中断与异常

中断与异常

Xherlock

2022 年 02 月 27 日

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操作系统

# 中断与异常

## 中断机制的诞生

早期计算机：各程序只能串行执行，系统资源利用率低

为解决上述问题，发明了操作系统，引入中断机制，**实现多道程序并发执行**。**发生中断意味着需要操作系统的介入**

## 中断的概念和作用

* 中断发生时，**CPU立即进入核心态**
* 中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
* 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权

用户态$\to$核心态：通过中断实现，且是**唯一途径**

核心态$\to$用户态：通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为用户态

## 中断的分类

```mermaid
graph LR
A(中断)-->B["内中断(也称异常、例外、陷入)"]
A-->C["外中断(中断)"]
B-->D["自愿中断——指令中断"]
B-->E["强迫中断"]
E-->F["硬件故障(eg：缺页)"]
E-->G["软件中断(eg：整数除0)"]
C-->H["外设请求(eg：I/O操作完成后发出的中断信号)"]
C-->I["人工干预(eg：用户强行终止一个进程)"]
```

判断中断信号是来自CPU内部还是外部来判断是内/外中断

另一种分类方式

![0CA93096ADEF81054586CA8CF660683B.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/02/2249142540.png)

## 外中断的处理过程

1. 执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
2. 若检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境
3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
4. 恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

# 系统调用

## 什么是系统调用，有啥用？

系统在的各种共享资源都由操作系统都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作

系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、对进程的控制，需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行

## 分类

* 设备管理：完成设备的请求、释放、启动等功能
* 文件管理：完成文件的读写、创建、删除等功能
* 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能
* 进程通信：完成进程之间的消息传递、信号传递等功能
* 内存管理：完成内存的分配、回收等功能

## 系统调用与库函数的区别

![D796CA914C07B3575C66CAB07D912C13.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/02/646533527.png)

## 系统调用背后的过程

高级语言--编译-->汇编语言

传递系统调用参数-->执行陷入指令（用户态）-->执行系统调用相应服务程序（核心态）-->返回用户程序

![FF1811FADEFD7A4723CBDD90212C1273.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/02/916190154.png)

注意：

* 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
* 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
* 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令

最后修改：2022 年 02 月 27 日

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中断与异常

Xherlock • 2022 年 02 月 27 日

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