重新整理操作系统概念系类——中断异常

前言

这里的中断和异常指的是处理机的中断和异常，处理机可以理解为cpu。

正文

中断是怎么产生的呢？

是因为操作系统的诞生，引入了中断机制，用来实现多道程序的并发。

简单点说就是这样子的，以前是一道一道程序执行，现在多道程序要想并发执行，其中一种方式就是一个程序运行一下子，然后中断，下一个程序运行一下子。。。。

中断操作发送的时候以为着操作系统介入，开展管理工作。

cpu收到计时部件（固件，固件的操作是操作系统操控的）发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。

也就是说cpu 从用户态切换到核心态，操作系统负责中断信号处理。

然后就切换到了核心态，那么这个时候操作系统开始运行进程1切换到进程2了。

切换完后，那么交给进程2去运行。

如果进程在运行的时候出现了内中断（系统调用，主动请求操作系统介入），请求输出，比如说需要打印。cpu 切换为核心态，对中断进行处理。

操作系统对中断信号进行处理，然后操作系统去操作打印机进行打印，打印机开始工作，进程暂停运行等待i/o完成，切换其他进程进行运行，又切换到了用户态。

当io操作完成后，通知cpu发出中断信号，操作系统对中断信号进行处理，然后切换为那个等待i/o操作的进程。

那么问题来了，cpu是如何通知操作系统的？cpu能通知操作系统？

其实这就是涉及到一个问题，那就是cpu本身就有程序的。

在启动引导阶段，操作系统会给CPU提供一张中断描述符表。这张表预定义了操作系统为CPU提供的一系列处理函数，用于处理可能会遇到的异常。

由于操作系统提供了一个函数指针来处理段错误（Page Fault），所以当我们试图访问地址为99999999999999 时，CPU会跳转到该处理函数，从而将控制权转交给操作系统。

接着，操作系统就会打印一段友好的提示消息，通知我们发生了段错误。因为是操作系统输出的消息，所以这个消息可能因操作系统的不同而有所差异。

这个故事告诉我们，其实我们程序占用的只有cpu，一但cpu做不来的时候，那么这个时候就要请求操作系统去执行。

这里再说一下为啥i/o操作不需要cpu持续运作，是这样的：

I/O发展是经过一下一步步发展的
1. CPU直接控制外围设备(硬盘磁带等), 在简单微处理器中常用
2. 增加I/O模块, 将CPU与外围设备解耦, CPU只与I/O模块打交道. 只需定义好接口, CPU厂商和外围设备厂商就可以相互根据接口开发, 互不影响
3. 增加中断方式, 还是经过I/O模块, 只不过I/O模块完成之后, 只需通知CPU即可, CPU在等待阶段完全可以去做其他事情, 提高CPU利用率.
4. I/O模块增加DMA控制器. 之前的阶段是每次只传输一个字, 就通知CPU, 就发起一次中断, CPU放到寄存器中, 再放到内存中. 这样CPU就会被连续的中断打断, 不断切换进程, 
上下文, 效率很低.DMA控制器类似于一个小的CPU, 有自己的寄存器(记录主存地址和取到的字的count等). CPU可以发起一个DMA请求, 传入读写操作类型, 相关I/O设备地址, 内存的起始地址, 
要操作的字数.然后DMA就可以获取总线的控制权, 将一大块内存和外部I/O读入或写出.等操作完成后, 再通知CPU. 释放总线控制权.

缺点是:系统总线也是一种资源, DMA操作期间, 当处理器需要访问总线时, 执行速度会变慢.但是总得来说, DMA是一种高效传输方式.

总结一下：

用户态到核心态切换是通过中断来实现的，而且是唯一实现方式。

核心态到用户态的切换是通过执行一个特权指令，就是将程序状态字的标准设置为用户态即可。

如何区分内中断还是外中断

中断分为内中断和外中断。内中断（也称异常、例外、陷入）信号来源是CPU内部，与当前执行的指令有关，外中断（狭义的中断）信号的来源是CPU外部，与当前执行的指令无关。

内中断可以分为自愿中断和强迫中断，自愿中断是指指令中断，如系统调用时使用的访管指令（又叫陷入指令、trap指令），强迫中断是指硬件故和软件故障（如整数除0）。

内中断还可以分为陷入（trap）、故障（fault）和终止（abort）。陷入指有意而为之的异常，如系统调用。故障指由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页。终止指不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0。

外中断可以分为外设请求（如I/O操作完成发出的中断信号）和人工干预（如用户强行终止进程）。

外中断的处理过程

解释一下：

是这样子的，程序在用户态执行的，时候呢，执行一条指令，cpu 后面执行的指令是去检查有无外部中断信号。

如果有的话，那么会将当前状态保存。我们知道中断的时候呢，这个时候就是操作系统运行的时候了，cpu 回调操作系统程序，当操作系统程序执行完毕，切换会用户态，然后继续执行原理的指令。

结