2-2 中断/异常机制工作原理

一、中断/异常机制工作原理
1. 中断/异常机制是现代计算机系统的核心机制之一
硬件和软件相互配合而使计算机系统得以充分发挥能力
●硬件该做什么事？--中断/异常响应
捕获中断源发出的中断/异常请求，以一定方式响应，将处理器控制权交给特定的处理程序
●软件要做的什么事？---中断/异常处理程序
识别中断/异常类型并完成响应的处理
2. 中断响应：发现中断、接收中断的过程
由中断硬件部件完成
处理器控制部件中设有中断寄存器，保存了中断信号
中断响应过程示意图



3. 中断向量表
中断向量：一个内存单元，存放中断处理程序入口地址和程序运行时所需的处理机状态字
执行流程按中断号/异常类型的不同通过中断向量表转移控制权给中断处理程序
4. linux中的中断向量表



5. 中断响应示意图


6. 中断处理程序
设计操作系统时，为每一类中断/异常事件编好相应的处理程序，并设置好中断向量表
系统运行时若响应中断，中断硬件部件将CPU控制权转给中断处理程序：
保存相关寄存器信息
分析中断/异常的具体原因
执行对应的处理功能
恢复线程，返回被事件打断的程序
小结：软件提前设置好，硬件部件来执行
7. 例子：以设备输入输出中断为例
①打印机给CPU发中断信号（硬件）
CPU处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源并向相关设备发确认信号

②CPU开始为软件处理中断做准备：（硬件）
处理器状态被切换到内核态
在系统栈中保存被中观程序的重要上下文环境，主要是程序计数器PC，程序状态字PSW

③CPU根据中断码查中断向量表，获得与该中断相关的处理程序的入口地址，并向PC设置成该地址，新的指令周期开始时，CPU控制转移到中断处理程序（硬件）

④中断处理程序开始工作（软件）
在系统栈中保存现场信息
检查I/O设备的状态信息，操纵I/O设备或者在设备和内存之间传送数据等等

⑤中断处理结束时，CPU检测到中断返回指令，从系统栈中恢复被中断程序的上下文环境，CPU状态恢复成原来的状态，PSW和PC恢复成中断前的值，CPU开始一个新的指令周期（硬件）
8. 例子：I/O中断处理程序(软件）
通常分为两类处理：
I/O操作正常结束
若有程序正等待此次I/O的结果，则应将其唤醒
若要继续I/O操作，需要准备号数据重新启动I/O

I/O操作出现错误
需要重新执行失败的I/O操作
重试次数有上限，达到时系统将判定硬件故障