操作系统随记 —— 中断与异常

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一、用户态与核心态

为了避免操作系统及其关键数据受到用户程序的破坏，通常需要将 CPU 的执行状态分成两种：用户态 与 核心态。

• 用户态：又称目态，是用户程序执行时机器所处的状态，具有较低的特权指令（只能由操作系统内核部分使用，不允许用户直接使用的指令）。它只能执行规定的指令，只能访问指定的寄存器和存储器。
• 核心态：又称管态、系统态，是操作系统管理程序执行时机器所处的状态，具有较高的特权，能够执行包括特权指令的一切指令，能访问寄存器和存储区。

通过划分核心态与用户态，这两类程序就被严格的区分了，从而在 CPU 执行时的优先级等将会有所不同。

二、中断与异常

在引入用户态与核心态这两种工作状态后，就需要考虑这两种状态之间的切换，让相关指令能够在用户态与核心态之间反复横跳。中断与异常就恰好能够解决这一问题，从而提高系统的资源利用率。

1、中断与异常的定义

中断（Interrupt）也称为外中断，是指来自 CPU 执行指令以外的事件的发生，比如设备发出的 I/O 结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成，希望处理机能够向别的设备发出下一个输入/输出请求，同时让完成输入/输出后的程序继续执行。

异常（Exception）也称为内中断、例外或者陷入（trap），指源自 CPU 执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算数溢出等等。

2、中断处理的过程

网上关于中断处理的过程有所不同，主要是其所占的软硬件角度不同，以及其所选的中断的开始不同，其原理都是大致相同的，主要分为以下部分：

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⓪ 中断请求：某一中断源向 CPU 发起中断请求，对于外部中断 CPU 在当前指令最后一个时钟周期查询中断请求信号的。

硬件部分

① 关中断：CPU 响应中断后，首先要保护程序的现场状态，在保护现场的过程中，CPU 不应响应更高级中断源的中断请求；否则，现场保存不完整，中断结束后也就不能正确的恢复并执行现行程序。

② 保存断点：为了能够恢复到原来的程序，必须将原来的程序的断点（程序计数器 PC）保存起来。

③ 引出中断服务程序：取出中断服务程序的入口地址送入程序计数器 PC。

软件部分

④ 保存现场与屏蔽字：进入中断服务程序后，首先会保存现场（现场信息一般是指程序状态字寄存器 PSWR 和 某些通用寄存器的内容）。

⑤ 开中断：允许更高级的中断请求得到相应。

⑥ 执行中断服务程序：这是中断请求的目的。

⑦ 关中断：保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断。

⑧ 恢复现场与屏蔽字：将现场和屏蔽字恢复到原来的状态。

⑨ 开中断、中断返回：中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。