《中断处理操作系统》PPT课件

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04
现代操作系统特性分析
2024/3/27
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多用户多任务处理能力
多用户支持
现代操作系统允许多个用户同时 使用同一台计算机，每个用户都 有自己的工作空间和资源，互不
干扰。
多任务处理
操作系统可以同时管理多个任务， 通过时间片轮转或优先级调度算 法，实现多个任务的并发执行。
进程与线程管理
操作系统通过进程和线程的概念 来管理任务，进程是程序的执行 实例，线程是进程内的执行单元， 操作系统负责创建、调度和终止
适用于多种品牌和型号的手机和平板电脑。
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移动端Android和iOS操作系统比较
稳定的系统性能
经过苹果公司严格测试和优化，提供流畅的 系统运行体验。
与Apple生态紧密集成
与iPhone、iPad、Mac等设备无缝集成， 实现数据同步和共享。
统一的界面设计
采用统一的界面风格和操作方式，易于学习 和使用。
功能
提供计算机硬件与软件之间的接口；管 理计算机系统的资源；提供用户与计算 机之间的交互界面。
2024/3/27
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发展历程
第一代（1940s-1950s）
真空管和穿孔卡片，无操作系统概念。
第二代（1950s-1960s）
晶体管和批处理系统，如IBM的OS/360。
第三代（1960s-1980s）
集成电路和多道程序系统，如UNIX和 Windows。
进程同步与通信
协调多个进程之间的执行顺序和 资源共享，避免竞态条件和死锁
等问题。
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内存管理
内存空间分配
为进程分配内存空间，包括连续分配和离散 分配两种方式。
内存映射

功能：用于保存外部中断请求以及定时器的计数溢出。
【注意】：TCON既有定时器的控制功能，又有中断控制功能。 虽然不少资料将TCON称为定时器控制寄存器，但多数位都是 为中断控制而设置的（其中与中断有关的控制位共6位）。
位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 位符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
✓ 计数溢出标志位的使用有两种情况： • 采用中断方式时，作为中断请求标志位来使用； • 采用查询方式时，作为状态位供查询使用。
（2）SCON中的中断标志位
位地址 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H
位符号 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI
RI
TI：串行发送中断请求标志位
AT89S51单片机的中断系统
本章主要内容
中断的概念和应用 AT89S51中断系统结构 与中断相关的SFR及中断控制 外部中断 C51中断函数编程举例
微机的输入输出方式
(1)无条件传送方式 (2)查询传送方式 (3)直接存储器存取（DMA）方式 (4)中断方式
无条件传送方式
无条件传送方式在这种传送方式下，CPU不需要了解 外设的状态，只要在程序中加入访问外设的指令， 就可实现CPU与外设之间的数据传送。此种方法控制 简单，但数据传送时，由于不知道外设的状态，传 送数据时容易出错。
④ 故障处理：当计算机出现故障时，CPU可自动执行故障 处理程序，提高了系统自身的可靠性。
计算机与外围设备之间传送数据及实现人机联系也常采 用中断方式。
89S51的中断源
中断源：凡是中断请求的来源都统称为中断源。 在单片机系统中，中断可以由各种硬件设备产生，

? CPU的工作状态码 ——指明管态还是目态， 用来说明当前在 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
? 条件码——反映指令执行后的结果特征 ? 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
1 1 1 1 1 1 987654 321 0
如时钟中断、控制台中断等。
? 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。
? 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
? 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。
第2章 中断技术
? 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
? 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：
? 程序间的切换由时钟中断推动
? 系统调用通过中断机构处理 ? 操作系统中的管理程序，如 I/O程序，由中断
目态→管态 唯一途径 是 中断
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
? 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。
? 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。
? 外部中断：中央处理机外部的非通道式装置引起的中断。
? 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。

10.5.4 中断上半部分的处理 一、 中断控制器 •每个硬件设备控制器都能通过中断请求线 发出中断请求（简称IRQ） •所有设备的中断请求线又连到中断控制器 的输入端。 •在x86单CPU的机器上采用两个8259A芯片作 为中断控制器，一主一从。
•当8259A有中断信号输入同时中断信号不被 屏蔽时，主8259A向CPU发出 INT信号，请求 中断。这时如果CPU是处于允许中断状况， CPU就会发信号给8259A进入中断响应周期。 •在对8259A芯片的初始化过程中，第n号中 断在IDT表中的向量号为 n+32
•IDT中向量号的使用情况如下： 0－31 异常与非屏蔽中断使用。 32－47 可屏蔽中断使用32至47 128（0x80）实现系统调用。 其余 未使用 •保存现场 发生异常时在核心栈的程序计数器eip的 值取决于具体情况。一般情况下eip保存的 下一条指令的地址，但对于页面异常，保存 的产生异常的这条指令的地址而不是下一条 指令的地址
中断向量表IDT •IDT是中断/异常处理在内核的入口。IDT表 项还记录了一些其它信息用以安全检查。 •IDT在系统初始化时创建。 •每个中断/异常都有一个向量号，该号的值 在0－255之间，该值是中断/异常在IDT中的 索引。 •每个中断/异常均有其相应的处理函数，中 断/异常在使用前必须在IDT中注册信息以保 证发生中断/异常时能找到相应的处理函数。
struct hw_interrupt_type { const char * typename; unsigned int (*startup)(unsigned int irq); void (*shutdown)(unsigned int irq); void (*enable)(unsigned int irq); void (*disable)(unsigned int irq); void (*ack)(unsigned int irq); void (*end)(unsigned int irq); void (*set_affinity)(unsigned int irq, unsigned long mask); };

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4.2 WSN操作系统选型
基于队列的调度：先入先出（FIFO）和排序队列。 • FIFO：任务根据其到达的时间被处理，一旦处理器空闲，先到达的
任务先执行。 • 排序队列：根据任务的估计执行时间对任务进行排序，防止耗时长的
任务阻碍好时短的任务的执行，又称为最短作业优先（Shortest Job First, SJF)规则。 非抢占、抢占式调度： • 非抢占调度：任务一直到执行结束不会被另一个任务中断 • 抢占调度：高优先级任务可以中断低优先级任务的执行。
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4.2 WSN操作系统选型
堆栈
• 定义：堆栈是一种数据结构，通过逐一进 栈的方式将数据对象暂时存储在内存中。
出栈或 退栈
入栈或 进栈
• 特点： 只允许在一端插入和删除。 后进先出(Last In First Out) LIFO
Top an-1 an-2 …
• 栈顶（TOP）：允许插入和删除的一端。
TinyOS的应用程序都是基于事件驱动模式的，采用事件触发 去唤醒传感器工作。
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4.6 TinyOS操作系统的特点
Tasks And Events Concurrency Model
Tasks一般用在对于时间要求不是很高的应用中，且tasks之间 是平等的，即在执行时是按顺序先后来得，而不能互相占先执 行，一般为了减少tasks的运行时间，要求每一个task都很短小 ，能够使系统的负担较轻；Events一般用在对于时间的要求很 严格的应用中，而且它可以占先优于tasks和其他events执行， 它可以被一个操作的完成或是来自外部环境的事件触发，在 TinyOS中一般由硬件中断处理来驱动事件。
4.2 WSN操作系统选型

分析在多用户与多任务环境下可能存在的安全风险，并介绍相应的安全
措施和策略。
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安全性与可靠性保障
操作系统安全策略
访问控制
通过用户身份验证、权限 管理等手段，限制用户对 系统资源的访问，防止未 经授权的访问和操作。
加密技术
采用加密算法对敏感数据 进行加密存储和传输，确 保数据在传输和存储过程 中的安全性。
页面置换算法
虚拟内存的实现
当内存空间不足时，需要选择某个页面进 行置换，常见的置换算法有最优算法、先 进先出算法、最近最久未使用算法等。
需要硬件和软件的支持，如地址变换机构、 缺页中断机构、页面调度程序等。
页面置换算法
最优算法
选择未来最长时间不会被访问的页面 进行置换，需要预知未来的页面访问 情况，实际中难以实现。
命令行界面常用命令
列举并解释常见的命令行界面命令，如文件操作命令、网络命令、 系统管理命令等。
图形用户界面设计
01
图形用户界面（GUI ）概述
介绍图形用户界面的基本概念、 特点和优势。
02
图形用户界面设计 原则
讲解设计图形用户界面时需要遵 循的原则，如直观易用、美观大 方、符合用户习惯等。
03
图形用户界面常用 控件
文件概念
文件是操作系统中进行数据存储和管理的基本单位，通常是一段具有特定格式 和意义的二进制数据。
文件组织结构
常见的文件组织结构包括顺序结构、索引结构、链接结构和哈希结构。不同的 组织结构适用于不同的应用场景，如顺序结构适用于连续访问大量数据，而索 引结构则适用于随机访问。
文件访问权限控制
访问权限
设置通道控制器，负责管理和控制多 个I/O设备，进一步减轻CPU的负担 。

(4)硬件中断的响应和时序
8086/8088CPU中断处理的基本过程
对该图作几点说明：

中断的基本过程可分为：中断请求，中断响应，中断处理 和中断返回。
按预先设计安排的中断优先权来响应中断。

对非屏蔽中断和可屏蔽中断的响应，CPU的处理动作基本 相同，仅仅有两点差别：

CPU遇到可屏蔽中断请求时，要先判断IF是否为1，若 IF为1，便进入中断响应过程。 CPU还要读取此中断的类型码。
溢出中断 断点中断 非屏蔽中断 单步中断 除数为0中断
专用的中断 类型2 （共5个）
类型1 类型0
0000：0008H 0000：0007H 0000：0004H 0000：0003H
0000：0000H
当CPU 响应中断访问入口地址表时，外设
应将一个8 位的中断类型码放在数据总线上，
CPU对编号n 乘以4得到4n指向该入口地址的
用户自己设计接口电路，利用寄存器/缓冲器组件
(7)最大与最小模式中断响应过程和响应时序的差异
பைடு நூலகம்
在最大模式的系统中，中断响应信号不是通过INTA引 脚发出的，而是通过状态线S2、S1、S0发出的。当CPU 响应中断请求时，S2、S1、S0同时输出低电平，总线控 制器回将这三个低电平信号组合，而得到INTA信号。 最大模式中，在总线控制器输出两个INTA负脉冲的同 时，CPU会在LOCK引脚上从第一个中断响应周期的T2到 第二个中断响应周期的T2之间维持一个低电平，以封锁 中断响应期间CPU以外的总线主模块发出的总线请求。
首字节：4n和4n+1单元中存放的是入口的偏
移地址值，其低字节在4n中，高字节在4n+1
中；4n+2和4n+3单元中存放的是入口的段基

2024/1/30
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进程同步与通信
2024/1/30
进程同步
多个进程在执行过程中需要协调其推进速度，以保证它们之 间正确的协作关系。进程同步的主要任务是使并发执行的诸 进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行 具有可再现性。
进程通信
进程通信是指进程之间的信息交换。在分布式系统中，进程 通信是实现分布式计算和协同工作的基础。常见的进程通信 方式包括管道（pipe）、消息队列（message queue）、信 号（signal）等。
2024/1/30
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进程调度算法
调度算法的分类
根据调度策略的不同，进程调度算法可分为先来先服务（FCFS）、短作业优先（ SJF）、优先级调度（Priority Scheduling）、时间片轮转（RR）等。
调度算法的选择
在选择调度算法时，需要考虑系统的整体性能、资源利用率、响应时间等因素。 不同的调度算法适用于不同的应用场景和需求。
将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页，而物理内存划分为同样大 小的页框。程序加载时，可将任意一页放入内存中任意一个页框，实现 离散分配。
页表
记录逻辑页与物理页框的对应关系。
2024/1/30
03
优缺点
提高了内存利用率，减少了碎片；但增加了系统开销，可能产生抖动现
象。
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段式存储管理
基本思想
把程序按内容或过程（函数）关 系分成段，每段有自己的名字。 一个用户作业或进程所包含的段 对应于一个二维线性虚拟空间，
即一个段表。
段表
记录各段在内存中的起始地址和 段的长度。
优缺点
便于实现共享和保护；但容易产 生碎片，浪费内存空间。

xlanchen@2007.9.27
Linux Operating System Analysis
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主要内容

中断信号的作用和中断信号处理的一般原则 I/O设备如何引起CPU中断 x86 CPU如何在硬件级处理中断信号 Linux内核中软件级中断处理及其数据结构
xlanchen@2007.9.27
Linux操作系统分析

上次课

进程的创建 进程调度
xlanchen@2007.9.27
Linux Operating System Analysis
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中断和异常
为什么会有中断

内核的一个主要功能就是处理硬件


处理器速度一般比外设快很多 内核必须处理其他任务，只有当外设真正完成了准 备好了时CPU才转过来处理外设 也可以用轮询的方式来处理，但显然效率不高 中断机制就是满足上述条件的一种解决办法
xlanchen@2007.9.27
Linux Operating System Analysis
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允许不同类型中断的嵌套发生，这样能使更多的I/O设 备处于忙状态 尽管内核在处理一个中断时可以接受一个新的中断，但 在内核代码中还在存在一些临界区，在临界区中，中断 必须被禁止
xlanchen@2007.9.27
xlanchen@2007.9.27
Linux Operating System Analysis
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3 ，关于第2点的解释：首先，interrupt context 没有process context，如果被 某个进程抢占 之后就没法恢复到原来的interrupt context下了， 这即损害了A的利益也污染了C的kernel stack。 其次，如果interrupt context A由于阻塞或是其 他原因睡眠，外界对系统的响应能力将变得不 可忍受