180226—【操作系统】复习：中断机制

按：开学了，学习生活当然要入正轨。

之前看时草率，越往后越迷糊。遂回头再把一些东西搞明白，果然有收获：

中断

中断无非是用来提高处理器效率的一个手段。

中断指令

假如，一个 I/O 程序的调用可分为两个部分：

为实际的 I/O 操作做准备。比如：复制将要输出到特定缓冲区的数据，为设备命令准备参数。

实际的 I/O 命令。

设置一个表示操作成功或失败的标记。用于完成操作。

其中第一步较为简单，速度也快。但第二步将会消耗大量时间。

利用中断功能，处理器可以在 I/O 操作的执行过程中执行其他指令。

用户程序到达系统调用 WRITE 处，但涉及的 I/O 程序仅包括准备代码和真正的 I/O 命令。在这些为数不多的几条指令执行后，控制返回到用户程序。

在这期间，外部设备忙于从计算机存储器接收数据并打印。

而处理器得以执行接下来的其他用户程序指令

这种 I/O 操作和用户程序中指令的执行是并发的。

这样就节省下了中间第二步的时间。

当外部设备做好服务的准备，也就是说，当它准备好从处理器接收更多的数据时，

该外部设备的 I/O 模块给处理器发送一个中断请求信号。

（外部设备对 CPU 说：我的活干完了，你快给我派任务啊！）

这时处理器会做出响应，暂停当前程序的处理，转去处理服务于特定 I/O 设备的程序，这个程序称做中断处理程序（interrupt handler）。在对该设备的服务响应完成后，处理器恢复原先的执行。

为适应中断产生的情况，在指令周期中要增加一个中断阶段：



在中断阶段中，处理器检查是否有中断发生，即检查是否出现中断信号。如果没有中断，处理器继续运行，并在取指周期取当前程序的下一条指令；如果有中断，处理器挂起当前程序的执行，

并执行一个中断处理程序。这个中断处理程序通常是操作系统的一部分，完成两个工作

它确定中断的性质；

并执行所需要的操作。

（划重点了撒！）

例如，在前面的例子中，处理程序决定哪一个 I/O 模块产生中断，并转到往该 I/O 模块中写更多数据的程序。当中断处理程序完成后，处理器在中断点恢复对用户程序的执行。

中断处理

来看详解：

当一个 I/O 设备完成一次 I/O 操作时，发生下列硬件事件：



1）设备给处理器发出一个中断信号。（我是 I/O，给活！）

2）处理器在响应中断前结束当前指令的执行，即上图指令周期所示。

3）处理器对中断进行测定，确定存在未响应的中断，（到底有没有？）

并给提交中断的设备发送确认信号，确认信号允许该设备取消它的中断信号。

4）处理器需要为把控制权转移到中断程序中去做准备。首先，需要保存从中断点恢复当前程序所需要的信息，要求的最少信息包括程序状态字（PSW）和保存在程序计数器中的下一条要执行的指令地址，它们被压入系统控制栈中。（大家做好准备先撤）

5）处理器把响应此中断的中断处理程序入口地址装入程序计数器中。

（决定调用哪个中断处理程序并告知天下）

可以针对每类中断有一个中断处理程序，也可以针对每个设备和每类中断各有一个中断处理程序，这取决于计算机系统结构和操作系统的设计。

如果有多个中断处理程序，处理器就必须决定调用哪一个，这个信息可能已经包含在最初的中断信号中，否则处理器必须给发中断的设备发送请求，以获取含有所需信息的响应。

一旦完成对程序计数器的装入，处理器则继续到下一个指令周期，该指令周期也是从取指开始。由于取指是由程序计数器的内容决定的，因此控制被转移到中断处理程序，该程序的执行引起以下的操作：

6）在这一点，与被中断程序相关的程序计数器和 PSW 被保存到系统栈中，此外，还有一些其他信息被当做正在执行程序的状态的一部分。特别需要保存处理器寄存器的内容，因为中断处理程序可能会用到这些寄存器，因此所有这些值和任何其他的状态信息都需要保存。在典型情况下，中断处理程序一开始就在栈中保存所有的寄存器内容。

7）中断处理程序现在可以开始处理中断，其中包括检查与 I/O 操作相关的状态信息或其他引起中断的事件，还可能包括给 I/O 设备发送附加命令或应答。

8）当中断处理结束后，被保存的寄存器值从栈中释放并恢复到寄存器中。处理器继续执行此前被挂起的用户程序。

P.S.

所谓处理中断，即执行中断处理程序，即此时将之前正在处理的用户程序挂起，全心运行一个中断处理程序来处理中断。

以 I/O 设备为例。所谓一个中断的出现包括：

I/O 设备处理完当前工作，发出信号告知 CPU 自己处于空闲 –>

CPU 确定中断的性质并决定调用哪个（哪种）中断处理程序–>

CPU 为运行中断处理程序做准备–>

运行中断处理程序来处理中断–>

中断处理完毕，CPU 重新执行此前任务。