操作系统中的中断处理与I/O结构解析

"该资源是关于操作系统概念的第六版PPT中文版，主要讲解了中断处理和计算机系统结构的相关知识，包括I/O结构、存储结构、中断处理机制以及I/O同步和异步操作等核心概念。" 在操作系统中，中断处理扮演着至关重要的角色。中断是硬件或软件通过向CPU发送信号，请求其立即执行特定服务的一种机制。当中断发生时，操作系统必须保存当前执行任务的状态，即CPU寄存器和程序计数器的值，以便在中断处理结束后能恢复先前的任务。这通常通过中断向量表实现，该表包含了对应中断类型的服务例程入口地址。 中断分为硬件中断和软件中断，其中硬件中断是由外部设备如磁盘控制器、打印机控制器发起的，而软件中断则通常是由于错误检测或用户程序的特殊请求，如系统调用。中断处理过程中，需要识别中断类型，这可能通过轮询或向量中断系统完成。在向量中断系统中，中断向量包含中断处理程序的地址和相关数据，使得CPU能够快速定位并执行相应的处理代码。 中断处理还需要确保在处理一个中断时，其他中断是被屏蔽的，以防止处理过程被打断。这种机制保证了中断服务的顺序性和正确性。同时，操作系统是中断驱动的，意味着它响应并处理各种设备的中断请求，从而实现对硬件资源的有效管理。 在I/O结构方面，现代计算机系统支持并发执行的I/O设备和CPU。每个设备都有自己的控制器和本地缓冲区，CPU通过系统总线在这些缓冲区与内存之间交换数据。设备控制器通过中断通知CPU设备操作的完成。I/O操作分为同步和异步两种方式。同步I/O在I/O完成前会阻塞CPU，而异步I/O允许CPU在I/O操作进行时继续执行其他任务。操作系统通过设备状态表来跟踪设备的状态，以便于管理和调度I/O请求。 此外，直接存储器访问（DMA）机制用于高速I/O设备，它允许数据直接在存储器和设备之间传输，减少了CPU的介入，提高了数据传输效率。每个数据块传输完成后会产生一个中断，而不是每次传输字节都产生中断，这样大大降低了中断的频率。 存储结构部分主要涉及主存和辅助存储器，主存是CPU可以直接访问的快速但容量有限的存储，而辅助存储器如硬盘提供了大容量但较慢的存储空间。辅助存储器用于长期存储大量数据，当需要时，数据可以通过输入/输出操作加载到主存。 该资源深入探讨了操作系统中的中断处理机制和I/O管理策略，这些是理解和设计高效操作系统的关键组成部分。