操作系统中的中断与异常机制

"1.3_2_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，它们在操作系统管理CPU资源以及确保系统稳定运行中起到核心作用。中断是CPU响应来自内部或外部事件的方式，使得操作系统能够及时介入并处理这些事件。异常则通常与错误条件或特定的程序请求有关。 在早期的计算机系统中，程序通常是串行执行的，资源利用率较低。为了提高效率，人们发展出了多道批处理操作系统，允许多个程序并发执行。在这个过程中，操作系统内核会通过切换进程来分配CPU时间，让应用程序有机会运行。当操作系统运行在内核态时，它可以执行特权指令，而这些指令在用户态下是不允许的。当操作系统主动让出CPU使用权给应用程序后，就进入了用户态。 中断是操作系统从用户态重新夺回CPU控制权的关键机制。如果没有中断，一旦应用程序开始执行，它将持续运行，直至执行完毕或遇到错误，这将无法实现真正的并发。中断可以由硬件或软件触发，分为内中断和外中断。 内中断是由CPU内部条件引起，通常与当前执行的指令有关。例如，当应用程序尝试在用户态执行只有操作系统才能执行的特权指令时，或者在执行指令时遇到错误，如除数为零，都会触发内中断。此外，还有一种情况叫做陷阱或陷入，是应用程序主动请求操作系统服务时执行的一种特殊指令，如系统调用，也会引发内中断。 外中断则是由CPU外部的硬件事件引起的，如I/O设备完成数据传输、定时器到达设定时间等。这些中断信号来自系统外部，与当前执行的指令无关，中断发生时，CPU会暂停当前任务，转而执行中断处理程序。 中断处理的过程包括保存现场（即当前执行指令的状态），转到中断处理程序，执行相应的服务，然后恢复现场并返回到被中断的地方继续执行。这一过程保证了操作系统能及时响应外部事件，同时又能保持程序的连续性。 总结来说，中断和异常机制是操作系统实现并发执行、提供服务以及维护系统稳定性的基础。它们确保了CPU资源的有效利用，使得操作系统能够在必要时接管控制，处理错误、响应外部事件，并满足应用程序的需求。