操作系统中的中断与异常机制

"1.1_5_中断和异常1" 中断和异常是计算机系统中至关重要的概念，它们在操作系统和硬件交互中起着核心作用。中断机制使得操作系统能够有效地管理和调度资源，确保多个任务的并发执行，从而提高系统的效率。 首先，中断允许操作系统在适当的时候将CPU使用权交予应用程序。在操作系统内核执行时，它可能会执行一些任务，如内存管理、设备驱动等。一旦这些任务完成或者需要处理其他事情，操作系统会切换到用户态，允许应用程序运行。然而，如果缺乏中断机制，一旦应用程序获得CPU，它将持续运行，直至程序结束或出现错误，这将导致操作系统无法进行其他管理工作，严重影响系统的并发性和资源利用率。 中断分为两类：内中断和外中断。内中断，也称为软中断，通常与当前执行的指令有关，比如当应用程序尝试执行特权指令（如修改系统寄存器），或者执行特定指令时遇到异常情况（如除以零）。这些情况下，CPU会自动触发内中断，进入内核态，由操作系统处理相应的错误或请求。例如，当应用程序试图在用户态执行只有内核才能执行的指令时，CPU会检测到这一非法操作并引发内中断。另一种情况是执行除法指令时发现除数为零，这也会引发内中断，因为这是数学运算中的一个错误条件。 外中断，又称为硬件中断，通常与当前执行的指令无关，而是由CPU外部的设备（如键盘、网络接口或硬盘）产生的信号触发。当这些设备完成某个操作或需要操作系统服务时，它们会发送中断信号给CPU，中断处理器会暂停当前的执行流程，转而处理中断事件。例如，当键盘被按下时，键盘控制器会向CPU发出中断请求，CPU响应后会暂停当前程序，调用相应的中断处理程序来处理键盘输入。 在某些情况下，应用程序需要主动请求操作系统的服务，这时它会执行一条被称为陷入指令的特殊指令。这种指令会导致内中断，使得CPU从用户态切换到内核态，允许操作系统执行系统调用。系统调用是用户程序与操作系统交互的一种方式，用于获取内核提供的服务，如打开文件、创建进程等。 总结来说，中断和异常机制是操作系统实现进程管理、资源调度和错误处理的基础。它们确保了CPU的高效利用，实现了多任务的并发执行，并且提供了安全的接口供应用程序请求操作系统服务。没有中断，现代计算机系统将无法有效地运行复杂的应用程序和管理系统。