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中断

基础概念

中断

中断是操作系统内核获取CPU的唯一方法,正常情况下,CPU会执行用户程序,当内核需要执行时,可以通过中断让内核获取CPU的执行权;

中断的引入是为了程序的并发,当时间片用完,需要进行进程切换的操作,这个操作必须由内核完成,所以发出一个中断让内核获得CPU的执行权,此时CPU处于内核态;

内核态->用户态:执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”,这个动作意味着操作系统 将主动让出CPU使用权

用户态->内核态: 由“中断”引发,硬件自动完成变态过程,触发中断信号意味着操作系统将强行夺 回CPU的使用权

内核态

CPU可以访问所有资源,包括所有内存,网卡等硬件资源;

用户态

CPU只能受限制的访问部分内存,并且不能直接访问硬件资源;

特权指令

指特殊权限的指令,这些指令的权限很大,只能由内核调用,如果使用不当,极易造成系统奔溃,常见特权指令的功能有:清内存、置时钟、分配系统资源、修改虚存的段表和页表,修改用户的访问权限等

PSW

程序状态字 - program status word:一个用于表示系统运行状态的字段,一般用一个寄存器表示,程序状态字PSW(Program Status Word)包括的状态位有:

  • 进位标志位(CF)、
  • 结果为零标志位(ZF)、
  • 符号标志位(SF)、
  • 溢出标志位(OF)、
  • 陷阱标志位(TF)、
  • 中断使能(中断屏蔽)标志位(IF)、
  • 虚拟中断标志位(VIF)、
  • 虚拟中断待决标志位(VIP)、
  • I0特权级别(IOPL)

中断分类

内中断

由CPU内部发出的中断,可以通俗的理解为异常;常见的内中断:

1. trap:陷入指令引发,一般是用户程序主动故意触发,比如系统调用

2. fault:可修复故障,内核修复完成后会将CPU归还给用户程序,常见的可修复故障:缺页

3. abort:不可修复故障,直接停止该用户程序,常见的有:被除数为0,非法使用特权指令;

外中断

中断信号来自外部,与CPU无关;狭义上的中断

1. 时钟中断:设置一个计时器,到时间会发出一个中断让CPU去执行中断服务程序

时钟中断 依靠 晶振

程序越多,单位时间内cpu浪费在内核调度上的时间变多,程序运行的时间变短。

2. IO中断:由硬件产生的中断

中断原理

CPU中断的实现大概分为两个部分:

检查中断信号

  • CPU在执行指令时会检查是否有异常发生,比如尝试执行特权指令,被除数为0,那么就会产生内中断
  • CPU在执行完指令后,会检查是否有外中断信号

响应中断信号

  • 如果检查到了中断信号,会通过中断向量表查找对应中断处理程序的内存地址;

    回调地址是由内核启动时注册的,比如时钟中断 回调方法是进程调度

  • 保存当前进行的上下文环境,让CPU执行中断处理程序,中断处理完成后,恢复刚刚执行的进程;继续执行

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200830042321.png

注意:中断处理程序是内核程序,所以此时CPU处于内核态;

系统调用

在了解什么是系统调用之前,我们需要知道什么是操作系统,操作系统是计算机硬件和上层用户之间的接口,这里的上层用户可以是计算机的使用者,也可以是用户程序;

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200830042405.png

系统调用是操作系统提供给用户进程使用的接口,为了保证操作系统的安全,用户态进程无法访问某些资源,如果需要访问,必须通过系统调用借助内核来实现;

系统调用的功能

系统中的各种资源都是由操作系统同一管理的,所以涉及到资源的使用都必须借助系统调用来完成,比如:内存分配,文件读取,IO操作;这样可以保证系统的安全性,防止用户程序非法操作;

  • 设备管理:设备的启动/释放
  • 文件管理:文件的读写,创建,删除
  • 进程控制:进程的创建,阻塞,挂起,撤销
  • 进程通信:进程的消息传递
  • 内存管理:内存的分配,回收

系统调用的实现

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200830042724.png

系统调用的原理就是用户态发出一个陷入指令(trap指令, INT x80),触发一个中断,让内核在中断响应程序中去替用户程序做事情;

系统调用 不同于函数调用,系统调用换成int x80, 调用sc(syscall),产生软终端,从而让程序陷入内核态,执行相应的操作。对于每个系统调用都会有一个对应的系统调用号,比很多操作系统要少很多。