第1章 操作系统概述-2-OS的硬件结构

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6. 中断机制在操作系统中所起的作用
中断机制的最大长处是方便处理随机事件。无论什么情况下，只要有 随机事件发生，操作系统都可以通过中断机制中断当前程序的执行，转 而执行处理该事件的服务程序。 因此，中断给操作系统设计带来以下方便之处： (1) 中断使得实时处理许多紧急事件成为可能； (2) 中断可以实现处理机与外设的并行，提高处理机的执行效率； (3) 中断可以实现多道程序之间的切换； (4) 中断还可以让操作系统能够为用户程序提供一系列系统调用作为系统服 务的支撑平台，简化操作系统和应用程序的开发设计过程。 综上所述： 中断是实现操作系统功能的基础， 是构成多道程序运行环境的根本措施， 是程序得以运行的直接或间接的“向导”， 是各种事件被激活的驱动源。
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1. 中断的概念
在计算机系统中，通常存在多个中断源，比如I/O设备、实时时钟、 系统故障等等，可能会出现多个中断源同时发出中断请求的情况。因 此，对于中断系统而言，除了要求能及时响应每个随机发生的中断外， 还要求具备以下功能： 能实现优先级排队 根据事件的轻重缓急，中断系统能够使用中断逻辑将各种中断源分 为不同的优先级，使CPU在响应多个中断源同时发出的中断请求时， 首先响应优先级最高的。 能实现中断嵌套 当CPU在执行某个中断服务程序时，若有更高优先级的中断请求出 现，则CPU要能够暂停当前中断服务程序的执行，去响应这个级别更 高的中断，等该中断处理结束后再返回原来被中断的中断服务程序去 执行。 能辨别中断源 能够使CPU在众多中断源中辨别当前响应的是哪一个中断源发来 的中断请求。
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1.6.4 中断机制
1. 中断的概念
中断是指当某个事件（例如I/O结束、电源故障、程序出
错、请求系统服务等等）发生时，CPU中断当前程序的执 行，转而执行处理该事件的服务程序，处理完毕后返回被 中断的程序继续执行的过程。 引发中断的事件称为中断源，实现中断响应过程的硬 件称为中断装置，处理该事件的程序称为中断服务程序， 完成中断全过程的硬件和软件统称为中断系统。 中断时程序当前执行完毕的指令地址为断点，中断返 回后继续执行的下一条指令地址为返回点 。
在80386CPU中通过段描述符中的最低2位RPL设定保护级状态位，它可以给 操作系统提供最多4种不同的处理机的态：
段寄存器 15 3 2 1 0
段描述符索引
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RPL
2
1.6.2 特权指令与处理机态的转换
1. 特权指令 特权指令只能在核态或管态下执行，以下类型的指令都是特权 指令： 允许中断和禁止中断指令； 进程切换、分配CPU，修改代码段寄存器CS和指令寄存器 IP的值等指令； 用于主存保护的寄存器的存取指令； 执行I/O操作的指令，如IN、OUT等等； 停止CPU等处理机控制指令如HALT暂停指令。
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1.6.4 中断机制
中断是计算机系统中非常重要的技术之一。 正因为有了中断，计算机系统才能够及时处理 随机发生的事件。 计算机系统必须提供中断机制，才能使操作 系统实现处理机在多道程序之间的切换，从而 实现多道程序的并发执行，实现CPU与外部设 备的并行。
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2. 中断类型
根据中断源的不同可以将中断分为以下五种： ① I/O中断 当外部设备或通道I/O结束或出错时，由设备或通道通过控制总线给CPU发中断请求信号。 ② 外部中断 由控制台发来的中断信号或时钟中断信号等非通道式装置产生的中断。 上述两种中断都是产生于CPU之外的外部硬件中断，由CPU通过中断控制装置发现并响应中 断。 ③ 机器故障中断 (1)
3. 由系统态（核态或管态）切换为用户态（目态）
CPU由系统态转换为用户态是通过在操作系统的服务程序中执行特权 指令“中断返回”实现的。
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1.6.3 时钟
时钟是操作系统运行时不可缺少的硬件设施，它以固定的时间间隔 产生中断信号，为操作系统实施调度、计算各用户所耗费的资源、实时 控制以及实现延迟等功能提供了不可或缺的硬件支持。 时钟分为绝对时钟和相对时钟： 绝对时钟用于记录当前时间（年、月、日、时、分、秒）。系统有一个 时钟寄存器，能够每隔一个时间单位自动加1，当计算机关机时它依然 工作。其初始值可由用户修改。绝对时钟除了为用户提供绝对时间外还 有定时作用，可用于定时唤醒那些预定时间要做的事件。 相对时钟又称间隔时钟，也称定时器。当其初值由程序员设定后，每隔 一个时间单位自动减1，直至减到0时引发时钟中断，并自动转移到相应 中断处理程序，唤醒并激活该定时时钟事件。 相对时钟是操作系统经常使用的一种定时机制。如分时系统，操作 系统利用间隔时钟产生的信号实现时间片轮转调度算法；实时系统操作 系统利用间隔时钟按照实时要求向控制设备发出及时的时间信号等等。
4. 中断处理与中断返回
中断处理是指响应中断后，CPU执行
中断服务程序对中断进行处理的 过程，这个处理过程由程序（软 件）实现。如图 1-1中虚线中所框 的部分。 中断服务程序一般都由以下三步 骤组成： (1) 保护被中断程序的现场（除地址 与状态寄存器以外）； (2) 中断处理或中断服务； (3) 恢复被中断程序的现场，中断返 回。 中断过程由硬件和软件配合完成： 硬件实现中断响应， 软件实现中断处理。
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中断响应
保护被中断程序的现场 硬件实现 K+0 K+1 中断服务程序 软 件 实 现
恢复被中断程序的现场
现行程序 中断返回
图1 -1 中断响应和处理过程
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5. 中断的禁止与开启
在很多情况下，操作系统的服务程序都是原语操作， 要求在执行过程中禁止被中断。为此，CPU提供了一对 特权指令：关中断和开中断，来实现原语操作。 例如，8086中对中断标志位的操作指令CLI关中断和 STI开中断就是这样一对指令。 原语操作的实现方法是：在中断服务程序开始时执行 CLI，关闭中断，此后的执行过程中CPU将不再响应任 何可屏蔽中断，从而实现原语操作；在中断返回之前执 行STI，将中断打开，让CPU恢复对中断的响应。 需要注意的是，这两条指令的功能是修改F标志寄存器 的IF位。而该位的状态是开还是关只对硬件中断中的可 屏蔽中断有效，对非屏蔽中断无效。
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1.6.1 处理机的态
为了实现对操作系统的保护，CPU将其指令分为特权指令和非特权指 令： 特权指令只能在处理机处于最高级别的态（支持核态时为核态，否则 为管态）下才能访问，比如修改代码段寄存器的值等都属于特权指令。 在用户态下CPU拒绝执行特权指令，因此用户态程序不能随意访问用 户空间以外的物理内存。如果在用户程序中出现特权指令，则CPU会因 为指令权限与态不吻合而自动产生非法指令中断，终止用户程序，交由 操作系统处理。 这样，将系统与用户所能执行的指令的权限加以区别，从而实现对系 统的保护。
1.6 支持操作系统的基本硬件结构
1.6.1 处理机的态
由于操作系统与用户程序并存于内存，且处于并发执行中，可能导致 用户程序对系统程序的破坏。为了操作系统免遭破坏，CPU提供了保护 机制。最简单的保护机制是在CPU的寄存器中设定保护级状态位，使得 CPU可以在程序运行过程中，根据状态位指定的级别对当前程序的执行 权限进行控制。CPU所提供的保护级称为处理机的态。 处理机的态至少分为两态——系统态和用户态（目态）： 系统态表示当前CPU上运行的是操作系统的系统程序； 用户态表示当前CPU上运行的是用户程序。 有的操作系统还将系统态又细分为核态和管态，核态比管态的保护 级别高，是CPU最高保护级别的态。
在用户程序中由于请求操作系统服务（执行系统调用）而产生的中断。这种中断也称为自陷， 也属于软件中断。
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3. 中断响应
中断响应是当CPU发现有中断请求时，终止当前程序的执行，
并自动引出中断处理程序的过程。 中断响应就是中断进入，其实质是将当前被中断程序的主要现 场（在8086中是CS、IP和F标志寄存器）进栈保护起来，然 后将中断服务程序的执行现场（CS和IP）加载到CPU的过 程。这个过程完成处理机终止执行和将要执行的程序地址和 状态的切换。而对于处理机中其它工作寄存器现场的保护则 在中断服务程序中完成。 为了实现在响应中断时能自动引出中断服务程序，常用的方法 是使用向量中断的方式。向量中断是将将所有中断服务程序 的入口地址和状态字按照各中断源的序号集中存放于一个表 中。这个存放中断服务程序入口地址的表称为中断向量表。
当机器发生故障时产生的中断，例如电源故障、通道与内存交换信息时内存出错、从内存取指 令错等等，是产生于机器CPU内部的硬件中断。 ④ 程序性中断 程序性中断是在程序执行过程中因CPU或内存出现了意外事件而引发的。例如：执行除法指令 时除数为0，内存保护错等等。这种中断也称为异常，属于软件中断。 ⑤ 访管中断
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1. 基本结构寄存器组
(1) 通用寄存器
80386有8个32位通用寄存器EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP，用于存放数据 或地址。它们都可以分别以32位或16位寄存器使用，用于16位时，其名称前面不加E， 比如AX、BX等。
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3. 中断响应
CPU响应向量中断的过程包括以下3步： (1) 接收中断，获取中断号； (2) 在中断向量表中查找该中断号对应的中断服务程序地址； (3) 执行该地址所指向的中断服务程序。 CPU会根据不同中断类型来获取中断源的号码（中断号）并实现中断响应： 若是硬件通过总线发来中断请求，则根据硬件中断逻辑装置提供的中断号，查询与系统硬件接口有关的中断 向量表，其中的地址即为相关的服务程序的起始地址。 若是软件中断（程序性中断、访管中断），则省去了第⑴、⑵步直接响应中断，执行操作系统的软件中断服 务程序，由该程序决定需要调用操作系统的哪个服务程序。 上述中断响应过程中CPU前后程序现场的切换由硬件实现。例如，在8086CPU中，当系统响应中断时，由 硬件做如下处理： (1) F标志寄存器进栈； (2) 置IF=0（关中断）； (3) CS：IP的值进栈； (4) 根据中断逻辑所得到的中断号n，从地址为０：n×4（中断向量表起始段地址为0）处取出4个字节 的中断向量，依次加载到IP和CS。如果是软件中断则将软件中断服务程序的地址加载到IP和CS。 (5) 执行由CS：IP指定的物理地址开始的中断服务程序。 其中“：”表示物理地址的形成格式。88086中，物理地址可以表示为“段地址：有效地址”，它表示物理 地址=段地址×16+有效地址=20位物理地址。 2013-7-13 操作系统与实验教程 第1章2 11